Rivelazione di particelle - INFN

Rivelazione di particelle
10th International Masterclasses 2014
Un’iniziativa EPOG European Particle-Physics Outreach Group
con la partecipazione della sezione INFN di Bologna
Bologna, Roma, Atene, Palaiseau, Santander
roberto spighi, Bologna 13 marzo 2014
1
Indice
L’importanza dello studio delle particelle
Perchè usare acceleratori sempre più potenti
Rivelazione delle particelle
Riconoscimento di eventi particolari
2
conoscere ciò che ci
circonda
Rutherford
Bohr
Tutta la materia che ci circonda è fatta di atomi
ATOMO  10-10 m
(0.1 miliardesimo di metro)
elettrone
Protoni e neutroni
NUCLEO  10-14 m
Sono i costituenti ultimi?
3
Si può andare ancora nel più piccolo?
studiare il mondo senza vederlo
Per vedere il mondo microscopico non possiamo usare gli occhi
Ci dobbiamo servire di altri strumenti
bacchetta
sottile
Testa, occhi,
naso ...
bastone
grosso
Corpo
riconosco parti con dimensioni ~ sezione della bacchetta
4
Perchè gli acceleratori? -1
Per vedere le particelle devo avere “bacchette” piccolissime
Particelle stesse
λ
dualismo onda-corpuscolo: le particelle si
comportano come onde e la loro
dimensione è la lunghezza d’onda
associata
λ~ 1/p p è la quantità di moto (proporzionale all’energia)
Se voglio vedere oggetti piccoli
λ PICCOLA
particelle con GRANDE ENERGIA
ACCELERATORI
PIU’ POTENTI SONO  PIU’ VEDONO IL
5
Perchè gli acceleratori? 2
E = Mc2
KAONI
ENERGIA
MASSA
MUONI
PIONI
+ ACCELERATORE POTENTE  + PRODUCE PARTICELLE ALTA ENERGIA 
6
PRODUCONO ALTRE PARTICELLE  STUDIO INFINITAMENTE PICCOLO
Acceleratori: come funzionano
particelle prodotte riscaldando filamenti (elettroni) o per
ionizzazione (es H senza e- = protone) o con urti (antiparticelle)
particelle corrono dentro dei tubi
Campi elettrici per accelerare
Campi magnetici per curvare
N
S
E=100 eV
-
+
100 V
Traiettorie circolari 7
I primi acceleratori
Acceleratore lineare
+
+
Acceleratore circolare
+
-
Sorgente di particelle
8
Acceleratori: a bersaglio fisso e collider
Acceleratore
bersaglio
Bersaglio
fisso
Collider
E = mc2
9
Energia  materia (particelle)
CERN (GINEVRA) 27 KM CIRC.
CERN
Beam pipe
Bunch 1011 protoni
LHC
Bunch 1011 protoni
2012: >10•106 urti/s
E = 8 TeV (> eurostar a 200 km/h)
10
I 4 esperimenti di LHC
LHC-B
CMS
ATLAS
ALICE
11
UN URTO AD LHC
Centinaio di particelle prodotte: ricostruirle e riconoscerle
 apparati molto grandi  separo le varie particelle
 struttura a “cipolla”  in ogni strato lasciano un
segnale
12
rivelatori di particelle
Cosa dobbiamo sapere di ogni particella?
TUTTO !!
Beam pipe e
protoni
cinematica tracciatori
 Posizione
 Direzione del moto
 Energia/impulso
 tempo di vita
Identificazione
 Tipo di particella
impulso
identificazione
evento
13
Tracciatori e rivelatori di vertice
la rivelazione delle particelle si basa sugli effetti prodotti
dal loro passaggio nella materia
Particelle cariche: se attraversano un mezzo incontrano
atomi  forza di Coulomb
Ionizzano
Segnale elettrico
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
+
Mezzo (gas o anche solido)
Filo carico +
14
Ricostruita la traiettoria della particella
CMS: Tracciatori e rivelatori di vertice
Silicon Tracker: 13 strati
76 M canali
Pixel: 100x150 μm
Strip: 80 x 180 μm
25 cm x 180 μm
Precisione sul vertice ~ 15 μm
Precisione su impulso = 1.5% 15
Misura dell’impulso (o quantità di
moto) con il campo magnetico
Fatto dal tracciatore
rivelazione
r
r r
Forza di lorentz: tra una carica ed un
F  qv  B
campo magnetico si esercita una forza
mv
r
qB
Impulso
minore (+)
N
Raggio di curvatura
Impulso
maggiore (+)
S
Carica
opposta -
modulo dell’impulso
mv e la carica q
16
Magnete superconduttore di CMS
B = 4 Tesla
solenoide 100 K > terra
Lungo 13 m
Diametro 6 m
Peso ~ 12 T
T = -269 °C
17
Il riconoscimento delle particelle
identificazione
Parte interna dedicata
al tracciamento
Particella viaggia
~ indisturbata
Parte esterna dedicata
al riconoscimento (ed
anche al tracciamento)
 Calorimetri
Particelle ~ “distrutte”
 collidono con materiali
densi
 Elettromagnetico
 Adronico
 Rivelatori di muoni
18
Il calorimetro elettromagnetico
Calorimetri
riconoscere e± ,γ
strati di materiale denso alternati a
strati di rivelatore di γ  effetto a
catena (sciame em)  particelle
perdono energia  sciame si esaurisce
Pb
e±,
γ
bremstrahlung
Piombo
...
scintillatore
Raccolta la luce ≈ energia
particella iniziale
19
Il calorimetro adronico
Riconoscere p, n e π (protoni, neutroni, pioni) e misura energia
p, n, π  urtano atomi del
calorimetro  creano altre
particelle
P, n , π
strati di Fe alternati a strati di rivelatore
...
Sciame adronico
calorimetri
 Inizia dopo
 Più aperto
 Meno simmetrico
Sciame elettromagnetico
20
rivelatori di muoni
Rivela muoni e ne misura l’impulso
Rivelatore più esterno e più grande
Muoni sono “poco interagenti”  se attraversano materiali21
perdono poca energia  ~unici ad arrivare a questo rivelatore
Identificazione delle particelle
rivelazione
22
Riconoscimento delle principali particelle
Elettroni
Positroni
Tracciatore
Calo em
muoni
Tutti
gamma
Calo em
Adroni neutri
(neutroni)
Adroni carichi
(protoni)
neutrini
Calo Adr
Tracciatore
Calo adr
23
Ricostruzione degli eventi, Z0
Z0 particella instabile  decade, non si misura direttamente
μ+ (e+)
Z0
μ-(e-)
0
3x10-25
Tempo (s)
0
10-18
Spazio (m)
Z0  ricostruita da e/μ o con conservazione Energia/Impulso
2
M Z0
 E  E    p   p   
  2  2  


 c


c   c
c 

2
MASSA
91.188 ± 0.002 24
GeV
CMS: Evento con Z0: visione in prospettiva
Tracciatore
Rivelatore di
muoni
25
CMS: Evento con Z0: visione trasversa
tracciatore
calorimetri
Rivelatore di muoni
2 tracce cariche che arrivano
al rivelatore di muoni
2 MUONI di carica opposta
carica +  senso orario
Z0  μ+μ-
26
Ricostruzione degli eventi, W
W  particella instabile: creata, vive e decade
W +  μ+ ν μ
W+  e+ νe
W -  μ- ν μ
W-  e- ν
Riconoscere
μeν
μ+ (e+)
W+
νμ(νe)
ν  invisibile: si ricostruisce come energia mancante
27
CMS: Evento con W: visione in prospettiva
Rivelatore
di muoni
Tracciatore
28
CMS: Evento con W: visione trasversa
tracciatore
calorimetri
Rivelatore di muoni
molta energia mancante
(freccia gialla lunga)
NEUTRINO
Traccia carica che
si ferma nel cal em
ELETTRONE
Weν
29
Ricostruzione degli eventi, Higgs
HZ0Z0  μ+ μ- e+e- , μ+ μ- μ+ μ- , e+e- e+eH
H γγ
Z0
μ+ μ-
Z0
e+e-
γ
γγ
H
γ
30
CMS: Evento con H: visione in prospettiva
HZ0Z0  μ+ μ- e+e-
Rivelatore di
muoni
Calorimetro
31
CMS: Evento con H: visione trasversa
HZ0Z0  μ+ μ- e+e-
2 elettroni
2 muoni
H γγ
2 fotoni
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(segnale nel cal em)
Conclusioni
questo è un bell’esercizio basato su dati veri
è la fisica di maggior interesse oggi
la tecnologia associata è al massimo livello di sviluppo
se deciderete di fare fisica noi
Vi accoglieremo a braccia aperte
Grazie a tutti, studenti e professori
33
Backup slides
34
I numeri di LHC
Macchina più grande al mondo
 27 km quasi tutti in Francia
 protone fa 11000 giri/s
 posto più freddo e più caldo dell’universo
 magneti superconduttori -271 C = 1.9 K
 nell’urto la “temperatura” è 1000 miliardi > T sole
 costi
 tot 6 miliardi € (1 anno camera+senato ~ 2 miliardi €)
 ITALIA ~700 milioni € ritorno di ~1.5 volte
 700 ricercatori italiani coinvolti
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I primi acceleratori
Raggi cosmici  particelle provenienti dallo spazio
Scoperte: muoni (1936), pioni, kaoni (1947), ...
Stato finale
urto
particella
aria
primo acceleratore
costruito
dall’uomo
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I primi rivelatori di particelle
CAMERE A BOLLE
Particelle cariche ionizzano un liquido
vicino all’ebollizione lasciando una scia
di “bollicine” lungo la traiettoria
Anni 50/70  fascio mandato dentro volume di gas  foto
Camera a bolle
Bellissime perchè vedevi tutto, ma lente e non triggerabili
37
( foto quasi tutte vuote)