Diapositiva 1 - INFN-LNF - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
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Laboratori Nazionali di Frascati Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Ente pubblico che promuove, coordina ed effettua la ricerca scientifica nel campo della fisica subnucleare, nucleare ed astroparticellare nonché la ricerca e lo sviluppo tecnologico necessari alle attività in tali settori, in stretta collaborazione con l’Università e nel contesto della collaborazione e del confronto internazionale Legnaro 19 Sezioni 11 Gruppi collegati VIRGO-EGO European Gravitational Observatory 4 Laboratori Nazionali Gran Sasso Laboratori del Sud (Catania) Laboratori Nazionali di Frascati ADA e ADONE ATLAS NAUTILUS DANE KLOE Centro di Calcolo DANE-L BTF FISA FINUDA DEAR Auditorium Data di nascita: 1955 Attività dei LNF Studi sulla struttura intima della materia Ricerca di onde gravitazionali Elaborazione di modelli teorici Studio e sviluppo di tecniche acceleratrici Sviluppo e costruzione di rivelatori di particelle Studi di materiali e ricerche biomediche con luce di sincrotrone Sviluppo e supporto di sistemi di calcolo e reti FISICA DELLE PARTICELLE ELEMENTARI Di che cosa e’ fatto il mondo? Quali sono le leggi fondamentali che lo regolano? UNA PRIMA RISPOSTA: L’ ATOMO orbitale esterno eATOMO DI 0.00000001 cm LITIO orbitali interni enucleo -8 ~ 10 cm = + + + e- P P P N N N ~10 -13 cm = 0.000000000 0001 cm PROTONE E NEUTRONE NON SONO ELEMENTARI P N D U D U D MA SONO FORMATI DA QUARK UP CON CARICA +2/3 DOWN CON CARICA -1/3 U SONO STATE SCOPERTE CENTINAIA DI NUOVE PARTICELLE, PER LO PIU’INSTABILI m+- e +- n n m e in circa 10 -6 s ( INTERAZIONE DEBOLE) p 0 g g ( INTERAZIONE r+-0 in circa 10 -16 s ELETTROMAGNETICA) pp in circa 10 -23 s ( INTERAZIONE FORTE) Non possono essere tutte “elementari”! RELATIVITA’ + MECCANICA QUANTISTICA = ANTIMATERIA PARTICELLA ANTIPARTICELLA ELETTRONE POSITRONE QUARK ANTIQUARK PROTONE ANTIPROTONE U U D Q = +2/3 +2/3 -1/3 = +1 -D - -U U Q = -2/3 -2/3 +1/3 = -1 IL MODELLO STANDARD LE PARTICELLE DI MATERIA QUARKS Q = +2/3 Up Charm Top Q = -1/3 Down Strange Bottom LEPTONI Q = -1 e m t Q= 0 ne nm nt CON LE RELATIVE ANTIPARTICELLE IL MODELLO STANDARD I VETTORI DELLE INTERAZIONI g INTERAZIONE ELETTROMAGNETICA W+ W- Z0 INTERAZIONE DEBOLE g (8 tipi) INTERAZIONE FORTE I primi fasci di particelle per gli studi di fisica nucleare e subnucleare erano sorgenti naturali: particelle alfa, raggi cosmici La capacità di rompere le barriere elettrostatiche intorno ai nuclei aumenta con l’energia: l’energia massima delle particelle alfa è solo 10 MeV. I raggi cosmici, anche quando molto energetici, non sono prevedibili: servono fasci di particelle ad alta energia e ripetibilità per studi sistematici ACCELERATORI DI PARTICELLE I fisici hanno sviluppato tecniche per produrre in laboratorio ed accelerare fasci di particelle di vario tipo (elettroni, protoni, pioni ecc…) ad energie ed intensita’ sempre piu’ elevate Un fascio di particelle che colpisce un bersaglio o collide con un altro fascio produce reazioni nucleari, annichilazioni e creazione di nuove particelle L’acceleratore che visiterete oggi (DANE) e’ un collisionatore elettroni-positroni di energia non molto elevata ma di elevatissima intensita’ Acceleratori nel mondo CATEGORIA NUMERO Impiantazioni ioniche Adroterapia 7000 1500 1000 5000 200 20 Sorgenti di luce di sincrotrone 70 Ricerca nucleare e subnucleare 110 TOTALE 15000 Acceleratori nell’industria Acceleratori in ricerca non-nucleare Radioterapia Produzione di isotopi per medicina Gli acceleratori usati per la ricerca pura sono costruiti ai limiti della tecnologia attuale e sono anch’essi ricerca tecnologica. DANE OSSERVARE LE PARTICELLE: I RIVELATORI I rivelatori di particelle sono degli strumenti che permettono di misurare i segnali rilasciati al passaggio della particella in un mezzo. Esiste una grande quantità di rivelatori diversi, ognuno ottimizzato per effettuare delle misure specifiche. In generale i rivelatori vengono grossolanamente suddivisi in 3 grandi categorie: contatori (frequenza) traccianti (traiettoria,carica, momento) calorimetri (energia, tempo di volo) Combinando le informazioni di più rivelatori si ottengono informazioni più dettagliate come massa, velocità, tipo di particella Struttura di un “General purpose experiment” IL RIVELATORE KLOE Bobina Super Conduttrice B = 5.188 kG Regione di interazione: Calorimetri su quadrupoli, Al-Be beam-pipe sferica Camera a deriva Miscela di He 13K celle di drift Ferro per chiusura linee di campo Calorimetro PbFibre Scintillanti ( barrel + endcap, spessore15 X0, ermetico 98 %) IL RIVELATORE KLOE Decadimenti K+K– 49.1% KLKS 34.3% rp 15.4% g 1.3% Attenzione dell’esperimento: decadimento dei K neutri Cammini liberi medi l(KS) = 6 mm (t = 90 ps) l(KL) = 3.5 m (t =51.7 ns) Grandi dimensioni del rivelatore! Principali Modi di decadimento +ππ KS π0π0 KL π0π0 π0 π+π- π0 π±mn π±e n π+ππ0π0 Necessita’ di un tracciatore e di un calorimetro Esempio di KS p+pKL p0p0 DIAGRAMMA DI FLUSSO DI UN ESPERIMENTO Produzione di segnali Selezione veloce segnali interessanti Scrittura su nastro dei dati interessanti Ricostruzione delle variabili fisiche degli eventi (impulsi, energie…) Analisi fisica degli eventi Rivelatore Trigger/Elettronica Sistema DAQ Computing Offline Studente di Dottorato IL FUTURO DELLA FISICA DELLE PARTICELLE Sebbene il Modello Standard sia una teoria di gran successo, molti interrogativi rimangono ancora senza risposta Perche’ il mondo e’ fatto di materia (e non di antimateria)? Che cosa determina la massa dei quark dei leptoni e dei bosoni vettoriali? Esistono principi di unificazione tra le varie interazioni fondamentali e che ruolo gioca la gravita’? Che cosa e’ la Materia Oscura, di cui l’universo sembra essere permeato?
