Diapositiva 1 - INFN-LNF - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare

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
DANE
KLOE
Centro di
Calcolo
DANE-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 (DANE) 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.
DANE
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±mn
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?