Struttura di un esperimento di Fisica delle Particelle - INFN-LNF

Struttura di un Esperimento di
Fisica delle Particelle Elementari
•Introduzione
•Alla ricerca del gluone
•Collisioni elettrone-positrone
•Rivelatori di particelle
•Analisi dati
•Risultati e pubblicazione
Pasquale Di Nezza
Il caso scientifico
Osservazione
quantitativa
di fenomeni
fisici
Esperimento
Enunciazione di
possibili
relazioni
matematiche
che descrivano
questi fenomeni
Teoria
Ipotesi
Interpretazione
G.Galilei
Il metodo scientifico
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Vedere direttamente:
osservazione diretta
dell’oggetto da studiare
Vedere indirettamente
studio dell’oggetto attraverso i risultati di un
esperimento
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Le forze fondamentali
forza
Gravitazionale
Debole
intensità
1
1029
effetto
Vi tiene seduti
Decadimenti:
n p + e- + n
W
Z
bosone
bosone
Elettromagnetica
1040
Tiene insieme gli atomi
g
fotone
Forte
1043
Tiene insieme i nuclei
g
gluone
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Alla ricerca del GLUONE !
Il gluone, in qualita’ di mediatore, viene “scambiato” tra
quark. E’ la carica di colore dei quark!
Analogamente a quanto accade in Quantum
Electrodinamics (QED=elettromagnetismo quantistico) dove
un fotone puo’ essere emesso da una particella carica
la Cromodinamica Quantistica (QCD) prevede che un
gluone possa essere emesso da un quark
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Fabbriche di particelle: gli acceleratori
Vedere lezioni di M. Ferrario
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Fabbriche di particelle: gli acceleratori
•Negli acceleratori le particelle viaggiano ad una velocita’
prossima a quella della luce (~300000 Km/s)
•Fino a molte centinaia di migliaia di giri al secondo
•Alcune centinaia di migliaia di incontri (interazioni) al secondo
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Introduzione | Alla ricerca del gluone | Collisioni e+e- | Rivelatori di particelle | Analisi dati | Pubblicazione
Produzione di quark e gluoni da collisioni e+ee+
e-
q
g*
Diagramma di
Feynman
g
q-
Leggi di conservazione pienamente verificate:
carica elettrica, energia, numero leptonico, ... altri numeri quantici
Concetto di isotropia e coplanarita’:
conservazione dell’energia trasversa
Fuoco pirotecnico
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Produzione di quark e gluoni da collisioni e+ee+
e-
q
g*
Diagramma di
Feynman
g
q-
Leggi di conservazione pienamente verificate:
carica elettrica, energia, numero leptonico, ... altri numeri quantici
Concetto di isotropia e coplanarita’:
conservazione dell’energia trasversa
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... non ci resta che produrre un quark e
rivelare il gluone emesso
Non esiste
un quark o
un gluone
libero !!!
Liberta’ asintotica
Adronizzazione
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Liberta’ Asintotica  Confinamento
q1q 2
VCoulomb 
r
V
r
VQCD  e
k r
V
r
carica di colore  ciascun tipo (sapore) di quark esiste in 3
versioni: rosso, verde, blu (antiquarks portano anticolore)
N.B. La carica di colore
e’ una convenzione! Nulla
a che vedere con il
colore “vero”
I quark ed i gluoni si combinano per formare adroni “bianchi”
(p.es.: r+v+b=bianco, r+r=bianco)
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Adronizzazione
Massa (Energia) di alcune particelle
Quark u = 3 MeV
Quark d = 7 MeV
Quark s = 120 MeV
Quark c = 1200 MeV
Quark b = 4300 MeV
Quark t = 174000 MeV
Elettrone = 0.5 MeV
Protone = 939 MeV
Neutrone = 940 MeV
m
= 106 MeV
p
= 140 MeV
t
= 1780 MeV
Allontanando i quark, si crea una tensione
con energia sufficiente a creare altre
particelle (1000 MeV / fm)
Se l’energia e’ molto alta si
creano spruzzi (Jet) di
particelle
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Abbiamo capito come affrontare il problema ?
•Caso scientifico: esistenza e rivelazione del gluone
•Teoria: il gluone e’ la carica di colore della QCD analogamente al fotone
nella QED
•Aspettazione: il gluone puo’ essere emesso da un quark cosi’ come un
fotone e’ emesso da una particella carica
• Complicazione: i gluoni e i quark non esistono da soli, ma adronizzano in
particelle non elementari  gli adroni
TO DO
1. Produrre uno o piu’ quark
2. Rivelare e analizzare gli adroni prodotti
3. Selezionare gli eventi dove un quark ha emesso un gluone
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Vedere le particelle subatomiche
Ricostruzione delle particelle attraverso rivelatori, cioe’
strumenti specializzati che permettono di misurare i
segnali rilasciati al passaggio della particella in un mezzo
Emulsione fotografica
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Vedere le particelle subatomiche
Una tromba d’aria distrugge le case di un villaggio.
Gli abitanti delle case distrutte corrono al telefono piu`
vicino per chiamare i pompieri.
I pompieri registrano la posizione dei telefoni e
l'istante delle chiamate.
Dalla posizione dei telefoni e dal tempo intercorso
fra le chiamate, si ricostruisce il punto in cui e`
avvenuto l'incidente e la velocita’ della tromba d’aria
D
C
B
B
A
D
C
A
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I rivelatori di particelle
Atomi
nel rivelatore
+
+
+
+
+
+
+
Gli elettroni negativi sono attratti dall’elettrodo
positivo piu` vicino.
Il segnale prodotto e`amplificato e inviato ad un
computer.
Dalla posizione dell’elettrodo e dal tempo di arrivo
del segnale, il computer ricostruisce il punto di
passaggio della particella.
+
+
+
+
una particella invisibile passando attraverso il
rivelatore ne colpisce gli atomi e libera elettroni.
I rivelatori registrano le tracce delle particelle troppo piccole per
essere "viste"
x
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La firma…
?
?
?
?
?
?
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I tracciatori (camere)
Un tracciatore e’ generalmente un rivelatore a gas, cioe’ una regione di spazio
riempita da un gas compresa tra due elettrodi cui e’ applicata una differenza di
potenziale.
IONIZZAZIONE: gli urti con gli atomi del gas fanno si che si crei una coppia ioneelettrone “ionizzazione primaria”, un elettrone primario a sua volta,
se sufficientemente energetico puo’ urtare altri atomi e liberare
elettroni secondari “ionizzazione secondaria”.
elettroni
ioni
particella
carica
_
_
_
_
_
_
_
+
+
+
+
+
+
+
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Rivelatori di particelle
TRACCIATORI
m, P, E
+
B
-
CALORIMETRI
m, P, E
m, P1, E1
Un tracciatore determina
la traiettoria delle particelle
cariche
Se immerso in un campo
magnetico B si riescono a
determinare anche la carica Q ed il
momento P
La particella subisce una minima
perdita d’energia nel sistema
Un calorimetro misura invece
l’energia che la particella rilascia
al suo interno
In questo caso la particella
viene quasi completamente
assorbita
Il segnale è proporzionale alla
sua energia:
S = K E
Altre proprietà…
B
e-
Carica (segno +/-) determinata dal
verso della curvatura in campo magnetico
F
v
Forza di Lorentz



F=qv xB
Carica negativa
Campo magnetico
uscente dal piano
Carica positiva
Tempo di vita media dalla lunghezza del cammino
prima del decadimento
lunghezza
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Altre proprietà…
B
e-
Impulso :
F
v
Forza di Lorentz



F=qv xB
“sistema di tracciatura + campo magnetico”
m v2/R = q v B
Cariche negative
Campo magnetico
Uscente dal piano
p2
R1
p1<p2  R1 < R2
R2
p1
cariche positive
m v/R = q B
Si
estrae
Velocità :
Tempo di volo  Misura della massa
L
vt=L
Si
misura Si
conosce
v = L/t
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Principi dell’interazione particella-rivelatore
Creazione di un segnale misurabile
Ionizzazione
e-
p
Combinando le informazioni di
più rivelatori si ottengono
Eccitazione/scintillazione
g
informazioni più e dettagliate
p spin,
p
come massa, velocità,
p
tipo di particella.
-
Variazione della traiettoria della particella
• Curvatura in campo magnetico
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Caratteristiche proprie dei rivelatori di
particelle
EFFICIENZA: probabilità che una particella venga rivelata: rapporto e = NR  NI tra il numero
di particelle segnalate dal rivelatore e il numero di particelle incidenti.
RISOLUZIONE: la risoluzione di un rivelatore
è legata alla capacità di distinguere valori
differenti della grandezza da misurare.
Una quantità frequentemente usata per
caratterizzare la risoluzione è la
larghezza a metà altezza della
distribuzione di interesse.
FUNZIONE DI RISPOSTA: la grandezza da determinare G e’ legata alla grandezza misurata
M da una relazione funzionale del tipo G = f(M,Ki) che dipende da parametri Ki = costanti di
calibrazione del rivelatore.
CALIBRARE un rivelatore vuol dire cercare di avere la stessa risposta dal rivelatore alla
stessa sollecitazione!
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I rivelatori specializzati
Le particelle, interagendo con opportuni materiali, rilasciano
“segnature” diverse.
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Struttura generale di uno “spettrometro”
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Esperimento ALEPH 1988-2001
Montaggio esperimento ALICE al CERN
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Il nocciolo dello spettrometro
alimentatore
particella
ADC-TDC
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Un esempio di tracciatore: la camera di KLOE
La camera a fili di KLOE e’ costituita da
12582 fili sensibili e 38622 fili di campo
E’ immersa in un campo magnetico solenoidale
che curva le tracce sul piano trasverso
ai fasci collidenti
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Calorimetri elettromagnetici
I calorimetri elettromagnetici misurano l’energia di elettroni, positroni e
fotoni attraverso la produzione di sciami elettromagnetici.
LUNGHEZZA DI RADIAZIONE X0:
E0
un fotone crea una coppia e+e-,
o un elettrone emette un fotone
... fino a quando Eparticella > Ecritica
Calorimetri elettromagnetici
Calorimetri omogenei:
tutto il materiale e’ sia assorbitore
che parte attiva
l’energia misurata e’ tutta quella depositata
buona risoluzione in energia
Calorimetri eterogenei: strati alternati di
materiale assorbitore e materiale attivo
l’energia misurata non e’ tutta quella rilasciata
buona risoluzione spaziale
I calorimetri adronici misurano
l’energia rilasciata dagli adroni
al loro interno per interazioni
con materiali pesanti
Hanno dimensioni maggiori dei
calorimetri em perche’ gli sciami
adronici hanno dimensioni maggiori!
g, p0
EM
n, p, p, K
HAD
IL RIVELATORE ATLAS
spettrometro
a muoni
calorimetro
elettromagnetico
solenoide
calorimetro
in avanti
toroide
dell’endcap
23 m
toroide del barrelrivelatore
interno
46 m
calorimetro
adronico
schermatura
dalle radiazioni
Diventa fisico in 60 minuti!
Presenza di 2 tracce
2 segnali solo nel calorimetro elettromagnetico
?
2 elettroni !
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Diventa fisico in 60 minuti!
Presenza di 2 e 3 gruppi di tracce (cluster/jet)
2 e 3 segnali nel calorimetro adronico
?
2 e 3 adroni (gluone?) !
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Diventa fisico in 60 minuti!
Presenza di 2 singole tracce
Nessun segnale nei calorimetri
?
2 muoni !
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Diventa fisico in 60 minuti!
Presenza di 2 tracce
1 segnale nel calorimetro elettromagnetico
?
1 muone + 1 elettrone = tauone
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Ricostruzione dell’evento
e+ e-  q q
++ m-ee++ee- -
m
e e
Esperimento ALEPH 1988-2001
si si si sisi no
si nosi
no
1 cm
-1cm
+1cm
Le nuove frontiere
NA49
Alice
STAR
Il concetto di trigger
Le particelle del fascio dell’accelaratore possono interagire con:
gas residuo, pareti tubo, … dare luogo a fisica “non interessante”
Un trigger e’ un “algoritmo hardware/software” che decide se
l’evento deve essere registrato
Esperimento H1
Esperimento H1
Evento Buono!
Evento da scartare
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Il concetto di trigger
Le particelle del fascio dell’accelaratore possono interagire con:
gas residuo, pareti tubo, … dare luogo a fisica “non interessante”
Un trigger e’ un “algoritmo hardware/software” che decide se
l’evento deve essere registrato
Un buon trigger permette di ridurre sensibilmente
il “tempo morto” del sistema di acquisizione dati.
P.es.:
Interazioni
beam beam
10 MHz
Trigger I livello
Acquisizione
4 kHz
3 kHz
Energia depositata nel calo
Tempo Morto
Numero tracce
~25%
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Data Acquisition (DAQ) e Analisi Dati
GRID
I nuovi esperimenti hanno bisogno di una
potenzialita’ di calcolo talmente elevata da
dover ricorrere ad un “computer mondiale
virtuale”: milioni di computer in rete
•Un enorme flusso di dati (p.es. 200 GByte/ora) deve essere
immagazzinato.
•Prima analisi data sommaria (Data Quality) “online”
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La scoperta del gluone: 1979
•Acceleratore e+e- PETRA a DESY
(Amburgo) con Ecms ~ 35 GeV
•Esperimenti:
TASSO, PLUTO, MARK-J, JADE
•Aspettazione: 3 jet di
particelle (numero di jet deve
aumentare all’aumentare dell’energia)
•Algoritmi per la ricostruzione
di jet
•Valutazione del fondo (rumore)
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La scoperta del gluone: 1979
“normali” eventi a 2 jet
e+
e-
q
Vista trasversa
della camera a
*
g Fondo 
- q simulazioni Monte Carlo fili di TASSO
Simulazione su computer delle
interazioni e dell’intero rivelatore
q tutte le “conoscenze”
includendo
- g
g* del momento
q
-
eventi a 3 jet (2 quark + 1 gluone)
e+
e-
Segnale osservato su alcuni milioni di interazioni
•all’energia 13-17 GeV  6 eventi
(fondo aspettato 3.5 eventi)
•all’energia 27-32 GeV  18 eventi
(fondo aspettato 4.5 eventi)
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I passi per arrivare ad una pubblicazione
•Molte presentazioni dell’analisi all’interno della collaborazione scientifica
•Analisi “cieca” di controllo da parte di un altro fisico del gruppo
•Scrittura di una “nota” dettagliata e approvazione dei risultati
•Scrittura dell’articolo scientifico e controllo da parte di un “comitato”
•Approvazione dell’articolo da parte della collaborazione (esperimento)
•Invio dell’articolo a rivista internazionale
•Controllo articolo da parte di 2 revisori internazionali anonimi
Pubblicazione su rivista
Abstract
Conclusioni
Abbiamo verificato l’esistenza del gluone !
•Necessita’ di capire il “caso fisico”
•Stabilire gli strumenti che dobbiamo procurarci
•Affrontare la misura con metodo e rigore
•Finalizzare il lavoro con una pubblicazione
internazionale a disposizione della comunita’