Rivelazione di particelle - INFN
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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 Weν 29 Ricostruzione degli eventi, Higgs HZ0Z0 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 HZ0Z0 μ+ μ- e+e- Rivelatore di muoni Calorimetro 31 CMS: Evento con H: visione trasversa HZ0Z0 μ+ μ- e+e- 2 elettroni 2 muoni H γγ 2 fotoni 32 (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 35 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 36 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)
