Rivelazione di particelle
11th International Masterclasses 2015
Un’iniziativa EPOG European Particle-Physics Outreach Group
con la partecipazione della sezione INFN di Bologna
Bologna, Praga, Nijmegen, Bratislava, Stoccolma
10000 studenti, 42 paesi, 200 Università coinvolte
roberto spighi, Bologna 17 marzo 2015
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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 ...
Robert Downey jr.
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
dualismo onda-corpuscolo: le particelle si
comportano come onde e la loro
dimensione è la lunghezza d’onda associata
λ~ 1/p
λ
p è la quantità di moto (proporzionale all’energia)
Se voglio vedere oggetti piccoli
λ PICCOLA
particelle con GRANDE ENERGIA
ACCELERATORI
5
PIU’ POTENTI SONO PIU’ VEDONO IL PICCOLO
Perchè gli acceleratori? 2
E = Mc2
KAONI
PIONI
ENERGIA
MASSA
MUONI
PROTONI
+ ACCELERATORE POTENTE + PRODUCE PARTICELLE ALTA ENERGIA
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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
primo
acceleratore
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Acceleratori: a bersaglio fisso e collider
Acceleratore
bersaglio
Bersaglio
fisso
Collider
E = mc2
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Energia materia (particelle)
CERN (GINEVRA) 27 KM CIRC.
Beam pipe
Bunch 1011 protoni
LHC
CERN
Bunch 1011 protoni
2012: ~ 40•106 urti/s
E = 8 TeV (> eurostar a 200 km/h)
2015: E = 13 TeV
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
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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 = 1515μm
Misura dell’impulso (o quantità di moto)
Fatto dal tracciatore con il campo magnetico
rivelazione
Forza di lorentz: tra una carica ed un
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
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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
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Toroide dall’alto
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
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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
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Il calorimetro adronico
Riconoscere p, n e π (protoni, neutroni, pioni) e misura energia
p, n, π urtano atomi
del calorimetro
creano altre particelle
strati di Fe alternati a strati di rivelatore
...
calorimetri
Inizia dopo
Sciame adronico
Più aperto
Meno simmetrico
Sciame elettromagnetico
cosmici
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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
(big wheel)
“tappo”
MDT Monitor drift tubes
Muoni sono “poco interagenti” se attraversano materiali
perdono poca energia ~unici ad arrivare a questo rivelatore
All atlas
Costruzione ATLAS
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Ricostruzione delle particelle
Per vedere il programma interattivo sulla ricostruzione delle
particelle, collegarsi all’indirizzo
http://atlas.physicsmasterclasses.org/it/zpath_playwithatlas.htm
All’interno del sito delle Masterclass
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Identificazione delle particelle
start
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Riconoscimento delle principali particelle
Tracciatore
Elettroni
Positroni
muoni
gamma
Pioni/prot
neutrini
Calorimetro em
Tutti
Calorimetro em
Tracciatore
Calorimetro adr
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Ricostruzione degli eventi
Z0 particella instabile: creata, vive e decade
μ+ (e+)
Z0
μ-(e-)
0
3x10-25
Tempo (s)
0
10-18
Spazio (m)
Z0 impossibile da misurare direttamente
Z0 ricostruire dagli elettroni e muoni
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Ricostruzione della Z0
μ+ (e+)
Z0
μ-(e-)
1) Riconoscere i prodotti di decadimento μ+μ- o e+e-
2) Ricostruire la MASSA (91.188 ± 0.002) GeV26
Ricostruzione della Massa della Z0
elettroni (muoni) misuriamo Impulso Energia
μ+ (e+)
Z0
μ-(e-)
Conservazione q. moto/Energia totale (~urto elastico)
2
M Z0
E E p p
2 2
c
c c
c
2
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evento
atlas
2 μ e con carica
opposta
visione trasversa
Energia
mancante piccola
μ negativo
|P| = 72 GeV
≠ μ
Minv = 86.7 GeV
μ positivo
|P| = 59 GeV
Candidato
Z0 μ+ μvisione longitudinale
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evento
visione trasversa
No tracce cariche
“phisics objects“
2 gamma
Minv = 130.0 GeV
Candidato
H γγ
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visione longitudinale
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
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