Metodi Sperimentali di Fisica Subnucleare a.a. 2015/2016 22
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Metodi Sperimentali di Fisica Subnucleare a.a. 2015/2016 22 Settembre-22 Dicembre 2015 " Problemi sperimentali e tecniche strumentali nella rivelazione delle radiazioni ” Programma: Introduzione. Tipologia delle radiazioni. Rivelatori di radiazione: generalità. Interazione della radiazione con la materia: perdita di energia di particelle cariche, elettroni, fotoni. Perdita di energia per ionizzazione, bremsstrahlung, produzione di coppie, interazioni fotonucleari, nucleari, effetto fotoelettrico, Compton, effetto Cherenkov, radiazione di transizione, Ionizzazione nei gas, sciami elettromagnetici e adronici Acceleratori: Introduzione , targhetta fissa e collisionatore; acceleratori elettrostatici, Van de Graaff, tandem, acceleratori lineari, risonanti, struttura Wideroe, Alvarez, cavità risonanti, betatrone, ciclotrone, ciclotroni relativistici, sincrociclotrone, microtrone, sincrotrone, stabilità di fase, focheggiamento forte, anelli di accumulazione, oscillazione di sincrotrone e betatrone, stabilità fasci, emittanza e accettanza, radiazione di sincrotrone, raffreddamento fasci, funzione β. Ettore Focardi 1 Programma (cont) Misure d’impulso. Misure di posizione e ionizzazione: camere a ionizzazione, contatori proporzionali, streamer, Geiger, camere proporzionali (MWPC), Camere a deriva, TPC, MSGC, GEM. Rivelatori a semiconduttore, parametro d’impatto, giunzione p-n, corrente di buio, risoluzione spaziale, fluttuazioni perdita di energia, deriva e diffusione, rumore, doppia faccia, pixel, danneggiamento da radiazione. Scintillatori: inorganici ed organici, guide di luce Fotorivelatori: fotomoltiplicatore, HPD, fotodiodi, VLPC Calorimetri: elettromagnetici e adronici, compensazione, perdite, presciamatore, calorimetri omogenei e a campionamento Trigger, rate eventi, livelli di trigger, monitor, DAQ, Controllo Esempio di collisionatore e apparato: LHC e CMS. Esame: preparazione di un argomento con presentazione con slides e discussione Ettore Focardi 2 Bibliografia Trasparenze: Contatti: http://hep.fi.infn.it/FOC/lezmetspfisub.htm [email protected] Ettore Focardi 3 Questione principale Gli apparati sperimentali devono aiutare a rispondere alle domande: • Quali sono i costituenti elementari della materia ? • Quali sono le forze che regolano il loro comportamento base? Ettore Focardi 4 Costituenti della materia Ettore Focardi 5 Sale comune (NaCl) Atomi Na e Cl sistemati in struttura periodica Na Cl Si possono osservare i singoli atomi? Si, usando microscopi elettronici Atomo, indivisibile (50 a.C., Democrito) Ettore Focardi 6 Potenza del microscopio Lunghezza d’onda della radiazione usata piu’ piccola delle dimensioni dell’oggetto da osservare λ << h hc = p E Oggetto Dimensione Energia radiazione Atomo 10-10 m 0.00001 GeV (elettroni) Nucleo 10-14 m 0.01 GeV (alpha) Nucleone 10-15 m 0.1 GeV (elettroni) quarks ? >1 GeV (elettroni) Sorgenti radioattive hanno E ~ MeV € € Acceleratori di particelle necessari per energie piu’ alte Ettore Focardi 7 Dimensione delle cose Ettore Focardi 8 Fisica delle particelle e creazione dell’Universo Ettore Focardi 9 Costituenti della materia Rutherford (1909): nucleo Chadwick (1932): neutrone SLAC (1968): quarks in neutroni e protoni Ettore Focardi 10 Forze In che modo gli oggetti compositi precedenti sono tenuti insieme? Ettore Focardi Da Forze!!! 11 Tipi di Forze Ettore Focardi 12 Come si sentono le forze Interazione tra due particelle materiali (es. elettroni) e2 F ∝ 2 rˆ r Azione a distanza Newton Forza su A dipende da dove si trova B. Ma come A conosce dove si trova B? € Interazione tra Campi Maxwell B produce un campo, caratterizzato da un numero (e/r2) in ogni punto dello spazio Forza su A e’ diretta nel verso in cui quel numero cambia piu’rapidamente A determina la sua risposta investigando nelle sue vicinanze Ma- non c’è connessione tangibile tra A e B Forze prodotte da scambi di particelle ‘messaggero’ Feynman B emette continuamente portatori di forza elettromagnetica, ‘fotoni’ Elettrone A assorbe il fotone e rincula (forza repulsiva tra e-) Ettore Focardi 13 Come si sentono le forze (2) Le forze sono trasmesse per scambio di particelle ‘forza’ tra particelle ‘materia’ range di una forza α 1 massa della particella scambiata Per le 4 forze osservate ci sono 4 differenti tipi di campi di forza € Ettore Focardi 14 Interazioni di particelle Il mondo subatomico non si osserva direttamente Le particelle A e B, con identità e impulso conosciuti interagiscono dando luogo a due o più particelle che attraversano il sistema di rivelazione per essere identificate e misurarne l’energia Dettagli della reazione sono nascosti ma la bolla contiene tutte le possibilità permesse Costante di accoppiamento (√α) dà la probabilità di emissione del quanto scambiato Ettore Focardi 15 Decadimento di un bosone Z Ettore Focardi 16 Osservabili in Esperimenti Fisica Alte energie Contenuto di particelle nel Modello Standard Compito degli esperimenti è : Identificare e misurare l’impulso con la miglior precisione di Muoni ed elettroni Fotoni Getti (quarks) Energia mancante (Et) (neutrini) Ettore Focardi 17 Evento di camera a bolle 1964: produzione e decadimento di un mesone Ω Ettore Focardi 18 Struttura a ‘cipolla’ esperimenti alte energie Ogni strato identifica e misura (o rimisura) l’energia delle particelle non misurate nello strato precedente Non esiste un singolo rivelatore che al tempo stesso identifica e misura energia/ impulso delle particelle Ettore Focardi 19 Vista trasversale esperimento CMS Ettore Focardi 20 Come è stato realizzato Ettore Focardi 21
