Rivelazione di particelle
8th International Masterclasses 2012
Un’iniziativa EPOG European Particle-Physics Outreach Group
con la partecipazione della sezione INFN di Bologna
Ginevra, Bologna, Uppsala, Orsay, Mainz, Padova, Obuda, Debrecen
roberto spighi, Bologna 13 marzo 2012
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?
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
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 6
I primi acceleratori
Acceleratore lineare
+
+
Acceleratore circolare
+
-
Sorgente di particelle
7
Acceleratori: a bersaglio fisso e collider
Acceleratore
bersaglio
Bersaglio
fisso
Collider
E = mc2
8
Energia materia (particelle)
CERN (GINEVRA) 27 KM CIRC.
CERN
Beam pipe
Bunch 1011 protoni
LHC
Bunch 1011 protoni
2010: 3•106 urti/s
E = 7 TeV (~ eurostar a 200 km/h)
9
I 4 esperimenti di LHC
LHC-B
CMS
ATLAS
ALICE
10
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
11
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
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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 +
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Ricostruita la traiettoria della particella
ATLAS: Tracciatori e rivelatori di vertice
Camere a drift
Rivelatori Si a semi-conduttore
Strip
80 μm x 6.4 cm
Pixel
50 x 400 μm
~80 milioni di pixels
Tracce distinte fino a 0.2 mm
Precisione sul vertice = 1514μm
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
modulo dell’impulso
mv e la carica q
Carica
opposta -
15
I magneti superconduttori di ATLAS
solenoide
toroide
B = ~0.5 Tesla
Raggi ~ 9 e 20 m
Lungh ~ 25 m
B = 2 Tesla
Raggio ~ 1 m
Toroide frontale
Toroide dall’alto
16
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
17
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
18
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
19
rivelatori di muoni
Rivela muoni e ne misura l’impulso (con il magnete toroide)
Rivelatore più esterno e più grande (~22 m di diametro)
“botte” a più strati
con 2 tappi laterali
“tappo”
MDT Monitor drift tubes
Muoni sono “poco interagenti” se attraversano materiali
perdono poca energia ~unici ad arrivare a questo rivelatore
ricostruiamo le particelle più importanti
20
Ricostruzione delle particelle
Per vedere il programma interattivo sulla ricostruzione delle
particelle, collegarsi all’indirizzo
https://kjende.web.cern.ch/kjende/it/wpath_teilchenid1.htm
All’interno del sito delle Masterclass
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Riconoscimento delle principali particelle
Tracciatore
Elettroni
Positroni
muoni
gamma
jets
Pioni/prot
neutrini
Calorimetro em
Tutti
Calorimetro em
Tracciatore
Calorimetri
Tracciatore
Calorimetro adr
22
Ricostruzione degli eventi
W+ μ+ ν
W- μ- ν
W+ e+ ν
Riconoscere
μeν
W- e- ν
Fondo: Z0 e+ e- , μ+μalcuni eventi simulati W+W23
evento
atlas
μ e la carica ?
click su traccia
visione trasversa
MuonSegment index: 2
Φ = 112.284°
InDetTrack index: 1
PT=41.519 GeV
η = -0.870
Φ = 114.868°
Px=-17.460 GeV
Py=37.669 GeV
Pz=-40.846 GeV
Energia mancante 52
GeV opposta al μ ν
W+ μ+ ν
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visione longitudinale
evento
e-
Energia mancante
opposta al e- ν
W- e - ν
25
evento
jets
Energia mancante
(piccola ~ 12 GeV)
fondo
26
evento
μ+μEnergia mancante
(piccola ~ 9 GeV)
Z0 μ+μfondo
27
evento
Energia mancante
(~ 70 GeV)
eμ+
H W+W μ+ν e-ν
28
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
29
Backup slides
30
Motivazioni: conoscere
ciò che ci circonda
Rutherford
ferro
1 mm
Torre Eiffel
1m
300 m
elettrone
Protoni e neutroni
Bohr
0.1 m
(0.1 milionesimo
di metro)
Limatura
di ferro
Struttura ordinata
di tante “palline”
ATOMO 10-10 m
(0.1 miliardesimo di metro)
31
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
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( foto quasi tutte vuote)
Le particelle instabili
Particelle che sono create e dopo un tempo “piccolissimo”
decadono in altre particelle
Es.
Z0
Z0
Z0 non la vedo, ma
se riconosco μ+μe misuro impulso
Riconosco Z0 e
ricostruisco impulso
0
3x10-25
Tempo (s)
0
10-18
Spazio (m)
35
rivelatori di particelle
Filo carico positivamente +
Segnale elettrico
36
Tracciatori in ATLAS
Camere a drift
Rivelatori Si a semi-conduttore
Strip
80 μm x 6.4 cm
Pixel
50 x 400 μm
~80 milioni di pixels
Tracce distinte fino a 0.2 mm
Precisione sul vertice = 1537μm
Diametro 22 m, lunghezza 43 m (~Notre Dame)
peso 7000 T (torre Eiffel = 7300 T)
38
39
40
Il calorimetro elettromagnetico
Riconoscere e± γ (elettroni/positroni, gamma) e misura
energia
calorimeters
±
e incontrano atomi (forze)
accelerati
emettono γ (Bremstrahlung)
bremstrahlung
γ produzione di coppie e+e produzione di γ (Bremstrahlung)
Sciame elettromagnetico
riconoscere e± γ vedere i γ emessi
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Il calorimetro elettromagnetico
strati di materiale denso (Pb) alternati a strati di rivelatore
di γ effetto a catena (sciame elettromagnetico)
particelle perdono via via energia sciame si esaurisce
Piombo
Pb
e±,
γ
...
scintillatore
Luce ≈ energia
luce segnale elettrico
pmt
Segnale elettrico
e+e- particelle cariche viste dal tracciatore
γ particella neuntra NON vista dal tracciatore
42
tracciatori
Particella carica
Calorimetro
elettromagnetico
Impulso
Traiettoria
Carica
vertice
Riconoscimento
energia
43
tracciatori
Particella carica
Rivelatore di
muoni
Impulso
Traiettoria
Carica
vertice
Riconoscimento
Energia/impulso
44
NO tracciatori
Particella neutra
Calorimetro
elettromagnetico
Riconoscimento
Energia
45
tracciatori
Particelle cariche e neutre
Calorimetro
elettromagnetico
ed adronico
<Impulso>
<Traiettoria>
<Carica>
<vertice>
Riconoscimento
Energia/impulso
46
tracciatori
Particelle carica
Calorimetro
adronico
Impulso
Traiettoria
Carica
vertice
Riconoscimento
Energia/impulso
47
NO tracciatori
Particella neutra
NO Calorimetri
Informazioni
ottenute con
conservazione di
grandezze fisiche
NO Rivelatore di muoni
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