Rivelatori di
Particelle
Danilo Domenici
Rivelatori di Particelle
Nella fisica sperimentale, un rivelatore di particelle o rivelatore di radiazione è
uno strumento usato per rivelare, tracciare e identificare particelle. (Wikipedia)
elettronica
di lettura
area
attiva
I rivelatori di particelle sono strumenti che producono un segnale
osservabile quando vengono colpiti da una particella. Sono solitamente
costituiti da un elemento attivo (con cui interagisce la radiazione) e da un
sistema di lettura (che forma il segnale e lo invia all’acquisizione dati)
Rivelatori di Particelle
• Molto generalmenete un rivelatore
può essere pensato come un
accumulatore di energia elettrica.
• La molla è un accumulatore di
energia meccanica: se caricata
possiede un’energia potenziale che si
trasforma in energia cinetica quando
scatta.
• Similmente possiamo pensare un
rivelatore come un condensatore.
Quando viene attraversato da una
particella “scatta”, e il potenziale
elettrico si trasforma in segnale
elettrico.
Caratteristiche dei Rivelatori
• Sensibiltà: capacità di produrre un segnale utile per un certo tipo di
radiazione e di energia. Nessun rivelatore può essere sensibile a tutti
i tipi di radiazione. Ogni rivelatore è progettato per essere sensibile
ad un tipo di radiazione in un certo intervallo di energia.
• Risposta: tipo di segnale utile prodotto. Spesso il segnale prodotto
da un rivelatore è un impulso di corrente la cui ampiezza è
proporzionale all’energia rilasciata dalla particella.
• Risoluzione: differenza minima di una grandezza fisica misurata (es.
energia) necessaria perchè il rivelatore possa distinguere due misure
vicine. Si esprime in termini di deviazione standard della
distribuzione della grandezza misurata.
Es.: Risoluzione spaziale. E’ la distanza minima alla quale un
rivelatore distingue il passaggio di due particelle.
Caratteristiche dei Rivelatori
• Efficienza: efficienza assoluta: frazione di particelle rivelate
dal rivelatore rispetto a quelle emesse dalla sorgente.
Efficienza intrinseca: frazione di particelle rivelate dal
rivelatore rispetto a quelle che lo colpiscono.
• Tempo morto: tempo necessario al rivelatore per formare
il segnale dopo che è passata la particella. Dipende molto
dall’elettronica di lettura. Il tempo morto può ridurre
l’efficienza se il rivelatore non è in grado di rivelare una
particella perchè ancora impegnato a processare l’evento
precedente. Questo fenomeno aumenta quanto più è
elevata la frequenza di arrivo delle particelle.
L’occhio umano è un rivelatore
di particelle: i fotoni
sorgente
bersaglio
rivelatore
I fotoni sono le particelle elementari di cui è costituita la luce
Noi vediamo un oggetto perché viene colpito da fotoni che poi
rimbalzano e vengono rivelati dal nostro occhio
Noi “vediamo” la materia subatomica perché la
colpiamo con particelle prodotte dagli acceleratori che
rimbalzano sui rivelatori
Dal modo in cui rimbalzano riusciamo a
capire molte caratteristiche delle particelle
Esperimento di Rutherford
Ernest Rutherford 1909
Rivelatori: alla ricerca
di tracce…
Interazione Radiazione - Materia
• Elettroni: urti atomici (f. em) + irraggiamento (f. em)
• Fotoni: produzione di coppie (f. em)
• Protoni: urti atomici (f. em) + urti nucleari (f. forte)
• Neutroni: urti nucleari (f. forte)
• Muoni: urti atomici (f. em)
• Pioni: urti nucleari (f. forte)
• Kaoni neutri: urti nucleari (f. forte)
• Kaoni carichi: urti nucleari (f. forte) + urti atomici (f. em)
Particelle
stabili
Particelle che
decadono con
τ > 10-10 s
Tutte le altre particelle (con τ < 10-10 s) non sono rivelabili
direttamente, ma attraverso i loro prodotti di decadimento
2 famiglie fondamentali: tracciatori e calorimetri
Tracciatori: usano gli urti atomici (cioè con la
nube elettronica) per campionare le tracce
delle particelle cariche
La particella esce dal rivelatore non perturbata
Calorimetri Adronici: usano gli urti nucleari
(interazione forte con i nuclei) per rivelare le
particelle adroniche (cariche e neutre)
Calorimetri Elettromagnetici: usano il
fenomeno dello sciame elettromagnetico
(causato dall’irraggiamento e dalla produzione
di coppie) per rivelare elettroni e fotoni
La particella viene completamente assorbita
Tutti i grandi esperimenti di fisica
delle particelle usano dei
calorimetri. Spesso ne hanno uno
di tipo elettromagnetico e uno di
tipo adronico
Calorimetro
di KLOE
Calorimetro
di BaBar
• Un grande esperimento di fisica delle particelle è costituito da diversi tipi di
rivelatori uno dentro l’altro intorno al punto dove si scontrano le particelle.
• I rivelatori interni devono avere un’alta risoluzione spaziale per distinguere
tracce molto vicine.
• I rivelatori esterni devono coprire superfici molto grandi
ATLAS
Altezza
25 m
Lunghezza
46 m
Peso 7000 ton
Profondità 80 m
Superficie rivelatori
6000 m2
• Tracciatore: particelle cariche
• Magnete: piega le tracce delle particelle cariche
• Calorimetro EM: elettroni, positroni e fotoni
• Calorimetro adronico: adroni carichi e neutri
• Rivelatore di Muoni: muoni
Analisi degli eventi
Fotoni
Elettroni
Muoni
Pioni
Neutroni
http://aliceinfo.cern.ch/static/Pictures/pictures_High_Resolution/wwwFirstPbPb/animation137124.avi
Elettronica di lettura
Per analizzare i segnali dei rivelatori si usa una
elettronica altamente specializzata. I segnali
vengono poi inviati a complessi sistemi di
acquisizione che li analizzano e li memorizzano
Schede di Front-End
Schede di acquisizione
L’elettronica di acquisizione
deve anche filtrare i dati per
ridurre 1 PB/s in uscita dal
rivelatore a 1 PB/y da
memorizzare su hard-disk
L’analisi di questi dati
viene fatta da
centinaia di computer
sparsi in tutto il
mondo collegati tra
loro in una rete: la
GRID
Camera a Bolle
• E’ costituita da un recipiente metallico
contenente un liquido surriscaldato e
compresso.
• Una particella carica ionizza il liquido e
lungo il percorso si formano bollicine
che possono essere fotografate
ottenendo una ricostruzione delle tracce.
Tracce fotografate in
Camera a Bolle
Rivelatori a Scintillazione
Questi rivelatori usano come elemento
attivo dei materiali che hanno la proprietà
di emettere luce visibile quando sono
attraversati da particelle cariche
Il fenomeno di Scintillazione è causato dalla
eccitazione e successiva diseccitazione degli
atomi dei materiali scintillanti
Esistono vari tipi di materiali scintillanti:
• cristalli
• materiali plastici
La scintillazione e’ utilizzata
principalmente nei calorimetri
La luce di scintillazione
prodotta dalla
particella si propaga
all’interno dello
scintillatore e viene
raccolta da
Fotomoltiplicatori
Nei laboratori di fisica delle
particelle si fa un
larghissimo uso di
scintillatori plastici per
rivelazione di raggi cosmici
Fotomoltiplicatori
• I fotomoltiplicatori sono rivelatori di luce.
Sono costituiti da un tubo di vetro sotto vuoto in cui sono presenti un
fotocatodo, un anodo e diversi dinodi. I fotoni colpiscono il fotocatodo che, per
effetto fotoelettrico, emette elettroni che sono poi moltiplicati sui dinodi e
raccolti sull’anodo.
• Sono rivelatori molto sensibili. Riescono a produrre un segnale elettrico anche
se vengono colpiti da un solo fotone. Vengono spesso usati in combinazione con
scintillatori
Fotomoltiplicatori
Rivelatori a Radiazione Cherenkov
L’effetto Cherenkov consiste nell'emissione
di radiazione elettromagnetica (luce) da
parte di una particella in moto ad una
velocità superiore alla velocità della luce nel
mezzo attraversato.
Misurando l’angolo del cono di
luce si ricava la
velocità della particella
Analogia con un aereo
che supera la barriera
del suono (1238 km/h)
Rivelatori a Gas
• Questi rivelatori usano un gas come elemento attivo.
• Il gas viene ionizzato dalle particelle cariche, che creano coppie
elettrone (e–) Ione (X+) (Ionizzazione primaria).
• Gli e– emessi (δ-rays) vengono accelerati applicando un campo
elettrico e possono produrre a loro volta Ionizzazione Secondaria
innescando una Moltiplicazione a Valanga
Un tipico rivelatore a
ionizzazione è costiruito da un
cilindro riempito di gas con al
centro un filo metallico posto
ad alta tensione (HV ≈ 3000V)
La ionizzazione e’ utilizzata principalmente
nei rivelatori traccianti
Rivelatori a Ionizzazione a
geometria cilindrica
Il campo elettrico radiale E = k/r
crea la valanga nelle immediate
vicinanze del filo.
La carica finale può arrivare fino a 108
volte la carica iniziale. Tale valore si
chiama Guadagno de Rivelatore
Qf
αx
G
e
qi
x è il cammino dell’elettrone
α è il Coefficiente di Townsend
Rivelatori a Ionizzazione
• In presenza di campo elettrico
gli elettroni viaggiano verso
l’anodo (gli ioni verso il catodo),
producendo un segnale elettrico
• Cambiando la tensione
applicata si hanno diversi modi
di funzionamento:
• Camera a Ionizzazione
• Contatore Proporzionale
• Contatore Geiger
Camere Proporzionali a Multifilo (MWPC)
• Il principio è quello dei rivelatori a
gas a geometria cilindrica.
• Il rivelatore è formato da molti fili
paralleli posti tra 2 catodi ad una
distanza di ~ 2 mm.
George Charpak, 1968
Premio Nobel 1992
Camere Proporzionali a Multifilo (MWPC)
• Ogni filo si comporta come un
rivelatore indipendente.
• Il segnale elettrico si forma sul filo
più vicino alla particella dando una
informazione sulla sua posizione.
KLOE
Rivelatori al Silicio
• Questi rivelatori usano un sottile
strato di Silicio come elemento
attivo.
• Il Silicio viene ionizzato dalle
particelle cariche, che creano
coppie elettrone (e) lacuna (h)
(Ionizzazione primaria).
• In presenza di campo elettrico gli
elettroni viaggiano verso l’anodo e
le lacune verso il catodo,
producendo un segnale elettrico.
A differenza dei rivelatori a gas
non c’è né Ionizzazione Secondaria
né Moltiplicazione a Valanga.
Rivelatori al Silicio
Sono rivelatori ad altissima
risoluzione spaziale (50µm)
usa ti spesso come rivelatori
di vertice, in zone molto vicine
al punto di collisione dei fasci
di particelle
LHCb
BaBar
ATLAS
CLEO III
Rivelatori a GEM
• I rivelatori a GEM sono rivelatori a gas inventati da
Fabio Sauli nel 1997.
• Una GEM (Gas Electron Multiplier) è costituita da un
sottile foglio di materiale plastico (kapton) ricoperto di
Rame su entrambi i lati. Il foglio contiene tanti
piccolissimi fori (diametro 70 µm, passo 140 µm).
Rivelatori a GEM
Applicando una differenza di potenziale
(400 V) tra le facce della GEM si crea un
campo elettrico molto alto all’interno
dei fori, che innesca la moltiplicazione a
valanga degli elettroni.
Un guadagno di 106 si può ottenere con
una Tripla-GEM
Cathode
Conversion & Drift
3 mm
Transfer 1
2 mm
Transfer 2
2 mm
Induction
2 mm
GEM 1
Un rivelatore a Tripla-GEM è
composto da un Catodo, 3 GEM e
un Anodo dove si forma il segnale.
GEM 2
GEM 3
Anode
Read-out
Rivelatori di vertice a GEM Cilindrica
Le GEM si possono adattare a diverse
geometrie. Uno sviluppo interessante è la
realizzazione di rivelatori a GEM Cilindrica.
Un Tracciatore Interno fatto da
rivelatori a GEM Cilindrica verrà
installato nel 2009 nel nuovo KLOE
Read-out
Anode
2 mm
GEM 3
2 mm
GEM 2
2 mm
3 mm
GEM 1
Cathode
PET (Positron Emission Tomography)
Tomografo di
rivelatori
Si inietta un radiofarmaco
nel corpo del paziente e si
rivelano i fotoni emessi
PET (Positron Emission Tomography)
Si ottengono immagini sulla
funzionalità dell’organismo
PET (Positron Emission Tomography)
Zone diverse del
cervello
mostrano attività
quando si legge o
si ascolta
Lo sviluppo sui
rivelatori ha
contribuito a
migliorare la
risoluzione delle
immagini
