Il magnete superconduttore
per l’esperimento PANDA,
un progetto strettamente
legato a Genova
Andrea Bersani
INFN Sezione di Genova
Sommario
FAIR: una nuova facility europea per la fisica adronica
La fisica di PANDA
L’esperimento PANDA
Il ruolo dei magneti negli esperimenti di fisica
nucleare e delle particelle
Il magnete superconduttore di PANDA
Genova, 20 aprile 2010
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FAIR
FAIR sta per Facility
for Antiproton and Ion
Research
existing GSI
Fasci di protoni e ioni
saranno accelerati da una
serie di sincrotroni
Con i protoni si
“fabbricheranno” antiprotoni
Con gli ioni si farà ricerca
sui fasci radioattivi e i nuclei
lontani dalla “valle della
stabilità”
Genova, 20 aprile 2010
SIS300
proton
linac
SIS18
SIS100
HESR
PANDA
SuperFRS
pbar
target
CR
FLAIR
RESR
NESR
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Prima di FAIR, GSI
FAIR ingloberà il laboratorio esistente GSI
Genova, 20 aprile 2010
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Protone-Antiprotone
Le collisioni protone-antiprotone sono state utilizzate
per decenni in fisica delle particelle
Sono stati costruiti acceleratori per antiprotoni a
energie molto varie e per scopi molto diversi
SPPS
LEAR
Tevatron
Nel passato gli acceleratori per adroni si sono rivelati
le migliori macchine per la scoperta di nuove particelle
sezioni d’urto molto alte
possibilità di creare particelle in processi di “formazione”
fasci di alta qualità per condizioni sperimentali “pulite”
Genova, 20 aprile 2010
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La fisica di PANDA
La fisica di PANDA copre diversi aspetti
di fisica nucleare e delle particelle
charmonio
ibridi ed esotici
ipernuclei
violazione di simmetrie
processi elettromagnetici
mesoni nella materia
Genova, 20 aprile 2010
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La fisica di PANDA
La fisica di PANDA copre diversi aspetti
di fisica nucleare e delle particelle
charmonio
ibridi ed esotici
ipernuclei
violazione di simmetrie
processi elettromagnetici
mesoni nella materia
Genova, 20 aprile 2010
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La collaborazione
The Collaboration PANDA
U Basel
IHEP Beijing
U Bochum
U Bonn
U & INFN Brescia
U & INFN Catania
Cracow JU,TU, IFJ PAN
GSI Darmstadt
TU Dresden
JINR Dubna
(LIT,LPP,VBLHE)
U Edinburgh
U Erlangen
NWU Evanston
U & INFN Ferrara
U Frankfurt
LNF-INFN Frascati
U & INFN Genova
U Glasgow
U Gießen
KVI Groningen
IKP Jülich I + II
U Katowice
IMP Lanzhou
U Mainz
U & Politecnico & INFN
Milano
U Minsk
Moscow, ITEP & MPEI
TU München
U Münster
BINP Novosibirsk
LAL Orsay
U Pavia
IHEP Protvino
PNPI Gatchina
U of Silesia
U Stockholm
KTH Stockholm
U & INFN Torino
Politechnico di Torino
U Oriente, Torino
U & INFN Trieste
U Tübingen
U & TSL Uppsala
U Valencia
SMI Vienna
SINS Warsaw
U Warsaw
PANDA è una collaborazione internazionale che conta
oltre 400 membri, provenienti da una cinquantina tra
università e enti di ricerca e 16 paesi
Gli italiani sono una settantina provenienti da 11 tra
More
than 410 physicists
from 53 institutions
in 16 countries
università
e sezioni
INFN
HYP-X
Al momento, l’INFN esprime il Deputy Spokeperson
(Paola Gianotti) e il Physics Coordinator (Diego Bettoni)
@J-PARC
Genova, 20 aprile 2010
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La collaborazione
The Collaboration PANDA
U Basel
IHEP Beijing
U Bochum
U Bonn
U & INFN Brescia
U & INFN Catania
Cracow JU,TU, IFJ PAN
GSI Darmstadt
TU Dresden
JINR Dubna
(LIT,LPP,VBLHE)
U Edinburgh
U Erlangen
NWU Evanston
U & INFN Ferrara
U Frankfurt
LNF-INFN Frascati
U & INFN Genova
U Glasgow
U Gießen
KVI Groningen
IKP Jülich I + II
U Katowice
IMP Lanzhou
U Mainz
U & Politecnico & INFN
Milano
U Minsk
Moscow, ITEP & MPEI
TU München
U Münster
BINP Novosibirsk
LAL Orsay
U Pavia
IHEP Protvino
PNPI Gatchina
U of Silesia
U Stockholm
KTH Stockholm
U & INFN Torino
Politechnico di Torino
U Oriente, Torino
U & INFN Trieste
U Tübingen
U & TSL Uppsala
U Valencia
SMI Vienna
SINS Warsaw
U Warsaw
PANDA è una collaborazione internazionale che conta
oltre 400 membri, provenienti da una cinquantina tra
università e enti di ricerca e 16 paesi
Gli italiani sono una settantina provenienti da 11 tra
More
than 410 physicists
from 53 institutions
in 16 countries
università
e sezioni
INFN
HYP-X
Al momento, l’INFN esprime il Deputy Spokeperson
(Paola Gianotti) e il Physics Coordinator (Diego Bettoni)
@J-PARC
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Una fabbrica di antiprotoni
Gli antiprotoni vengono prodotti facendo collidere
protoni su un bersaglio
Si producono particelle di tutti i tipi, gli antiprotoni
vengono selezionati da opportune “lenti magnetiche”
Gli antiprotoni raccolti vengono immagazzinati in un
anello dove vengono raffreddati e preparati per essere
iniettati nell’anello principale
Genova, 20 aprile 2010
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Una fabbrica di antiprotoni
Il fascio di protoni a 29 GeV
incide sul bersaglio di nickel
Gli antiprotoni prodotti
vengono raccolti da un
“magnetic horn”
Nell’horn circola una
corrente di centinaia di
migliaia di Ampere
Una enorme quantità di
particelle vengono perdute
nella camera del bersaglio
Genova, 20 aprile 2010
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Una fabbrica di antiprotoni
Il fascio di protoni a 29 GeV
incide sul bersaglio di nickel
Gli antiprotoni prodotti
vengono raccolti da un
“magnetic horn”
Nell’horn circola una
corrente di centinaia di
migliaia di Ampere
Una enorme quantità di
particelle vengono perdute
nella camera del bersaglio
Genova, 20 aprile 2010
9
Una fabbrica di antiprotoni
Genova, 20 aprile 2010
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Il rivelatore PANDA
Genova, 20 aprile 2010
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Il rivelatore PANDA
Misura le particelle prodotte nell’urto di antiprotoni
su un bersaglio fisso di idrogeno
È formato da due spettrometri
il target spectrometer circonda la zona di interazione
il forward spectrometer copre l’angolo in avanti
Le particelle vengono sparate principalmente in avanti
Il rivelatore deve, per ogni particella uscente:
misurare precisamente da dove viene
misurare la carica elettrica
misurare energia e velocità
riconoscere che particella è
Genova, 20 aprile 2010
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Il bersaglio interno
Idrogeno viene iniettato
perpendicolarmente alla direzione del
fascio di antiprotoni
A seconda della temperatura, della
pressione e del diametro del foro da cui
si inietta si ottengono
gocce di idrogeno congelato del
diametro di pochi centesimi o decimi di
millimetro
“neve” di idrogeno, formata da cluster
di centinaia o migliaia di molecole
Genova, 20 aprile 2010
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Il bersaglio interno
Idrogeno viene iniettato
perpendicolarmente alla direzione del
fascio di antiprotoni
A seconda della temperatura, della
pressione e del diametro del foro da cui
si inietta si ottengono
gocce di idrogeno congelato del
diametro di pochi centesimi o decimi di
millimetro
“neve” di idrogeno, formata da cluster
di centinaia o migliaia di molecole
Genova, 20 aprile 2010
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Bersaglio e linea del fascio
Produzione del bersaglio
Punto di interazione
Direzione degli antiprotoni
Recupero del bersaglio
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Il tracciamento delle particelle
Diversi strati di rivelatori al silicio permetteranno la
ricostruzione del vertice primario e dei vertici secondari
necessario per riconoscere particelle che si allontanano dal
vertice primario prima di decadere in un vertice secondario
distanze tipiche di interesse sono le centinaia di
micrometri o i millimetri
Genova, 20 aprile 2010
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Il tracciamento delle particelle
Dopo il rivelatore di vertice le particelle vengono
seguite per un lungo tratto
Si sfrutta la carica generata in un gas da parte di una
particella carica che lo attraversa
Questa carica viene raccolta da fili ad alta tensione e
attraverso questi segnali si ricostruisce la traiettoria
Genova, 20 aprile 2010
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Il tracciamento delle particelle
Dopo il rivelatore di vertice le particelle vengono
seguite per un lungo tratto
Si sfrutta la carica generata in un gas da parte di una
particella carica che lo attraversa
Questa carica viene raccolta da fili ad alta tensione e
attraverso questi segnali si ricostruisce la traiettoria
Genova, 20 aprile 2010
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Tutti i tracciatori di PANDA
Genova, 20 aprile 2010
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Tutti i tracciatori di PANDA
Genova, 20 aprile 2010
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L’identificazione delle particelle
Il tracciamento nel campo magnetico spesso non basta
ad identificare senza ambiguità le particelle
Una misura indipendente della velocità e dell’energia
permette di ricostruire la massa
Una volta note massa e carica elettrica, si può dare il
nome a ogni particella
Diversi sistemi di misura della velocità vengono
utilizzati comunemente
misura diretta attraverso il tempo di volo
misura indiretta attraverso emissione di radiazione
dipendente dalla velocità
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La particle ID in PANDA
Genova, 20 aprile 2010
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La particle ID in PANDA
DIRC
RICH
Camere per i muoni
Time of flight
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DIRC e RICH
DIRC e RICH funzionano grazie allo stesso principio
Una particella carica emette radiazione Cherenkov
lungo un cono la cui apertura dipende dalla velocità
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La misura dell’energia
La misura dell’energia completa l’insieme di
informazioni necessarie per la ricostruzione delle singole
reazioni
I calorimetri funzionano convertendo la maggior
parte possibile dell’energia delle particelle incidenti in
luce e misurando questa luce
I calorimetri di PANDA sfruttano cristalli di
tungstanato di piombo (target spectrometer) e
sandwich di piombo e scintillatore plastico (forward
spectrometer)
Genova, 20 aprile 2010
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PbWO4 e altre cose
Genova, 20 aprile 2010
22
I calorimetri di PANDA
Genova, 20 aprile 2010
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I calorimetri di PANDA
Genova, 20 aprile 2010
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I magneti in fisica nucleare
In presenza di un campo magnetico le particelle
cariche seguono una traiettoria curva (si “arrotolano”
intorno alle linee del campo magnetico)
La direzione verso cui curvano è legata al segno della
carica elettrica
Il raggio della curva è legato alla massa e alla velocità
Positivo, lento e pesante
Negativo, veloce e leggero
Genova, 20 aprile 2010
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Diversi tipi di magneti
In fisica nucleare e delle particelle sono stati usati
magneti di tre tipi, ciascuno con pregi e difetti
Il dipolo
è il più semplice da costruire
curva le particelle su un piano ma non sull’altro
lascia completamente libera la zona di interazione
Il solenoide
è relativamente complesso da costruire
tutte le particelle vedono lo stesso campo
lascia completamente libera la zona di interazione
Il toroide
è il più complicato da costruire
non cambia gli angoli di uscita delle particelle
occupa parte dello spazio utile nella zona di interazione
Genova, 20 aprile 2010
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Dipoli
B
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Solenoidi
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27
Solenoidi
B
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Toroidi
Genova, 20 aprile 2010
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Toroidi
B
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Il sistema di magneti
I due spettrometri di PANDA utilizzano due magneti
molto diversi tra loro
Il target spectrometer utilizza un solenoide
superconduttore, con l’asse coincidente con la linea del
fascio
Il forward spectrometer utilizza un dipolo normalconduttore, con l’asse verticale
una chicane formata da altri dipoli “raddrizza” gli
antiprotoni che non hanno interagito e li rimanda sulla
traiettoria sincrona dell’anello di accumulazione
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Il campo magnetico
Il campo magnetico è di 2T nella regione centrale del
target spectrometer e di 1.2T nel dipolo
Genova, 20 aprile 2010
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Il dipolo
Il dipolo del forward
spectrometer ha un’apertura di
circa 1 metro per 3, in cui sono
installate camere per il
tracciamento delle particelle
Il ferro è segmentato per
consentire l’accensione e lo
spegnimento rapido del
magnete
Il peso complessivo è di circa
220 tonnellate
Genova, 20 aprile 2010
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Caratteristiche del dipolo
Il campo del dipolo è stato
fissato per permettere misure
precise sulla velocità delle
particelle prodotte in PANDA
Il cavo sarà realizzato in rame
raffreddato ad acqua
L’energia immagazzinata è di
circa 2 milioni di Joule (circa
l’energia che consuma il mio
portatile in una giornata di lavoro)
Genova, 20 aprile 2010
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Il solenoide superconduttore
Genova, 20 aprile 2010
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Caratteristiche del solenoide
Il campo al centro è di 2T
L’uniformità di campo nella regione del tracciatore è
molto spinta
il valore assoluto varia di meno del 2% in tutto il volume
del tracciatore
la componente radiale del campo magnetico, in media, è
minore dello 0.1% della componente longitudinale
Il magnete è fatto per lavorare con entrambe le
polarità e a valori di campo dal 30% al 100% del campo
di disegno
L’energia immagazzinata è di circa 20MJ (equivalente
all’esplosione di 5 chili di tritolo)
Genova, 20 aprile 2010
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Il campo del solenoide
Genova, 20 aprile 2010
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Perché un superconduttore?
Se PANDA usasse un solenoide in rame
Le bobine diventerebbero enormi
Dissiperebbe ~1MW in calore
Non si saprebbe a cosa appenderle
Genova, 20 aprile 2010
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La “massa fredda”
Genova, 20 aprile 2010
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Il cavo per il solenoide
Il cavo per il solenoide di PANDA sarà
costruito con la tecnica della coestrusione
Il core è un trefolo di cavi superconduttori
di Niobio-Titanio
La parte esterna è di alluminio ad alta
purezza, che stabilizza termicamente ed
elettricamente il cavo
Il cavo è dimensionato per portare 10000A
ad un campo di 5.6T
la corrente di lavoro è 5000A e il massimo
campo previsto sul cavo è di 2.8T
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L’avvolgimento
Il solenoide sarà avvolto
all’interno di un coil former
contrasta la forza magnetica che
cerca di “svolgere” il solenoide
Sono previsti due strati, con le
saldature tra gli spezzoni di cavo
negli spaziatori tra le sotto-bobine
L’isolamento del cavo sarà
garantito da una nastratura di fibra
di vetro
Il solenoide sarà infine
impregnato sottovuoto con resina
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Il sistema di raffreddamento
Il solenoide sarà raffreddato
indirettamente con una rete di tubi in cui
scorrerà elio liquido
Genova, 20 aprile 2010
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Il comportamento termico
Genova, 20 aprile 2010
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Il comportamento termico
Genova, 20 aprile 2010
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Il comportamento meccanico
Genova, 20 aprile 2010
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Genova e i grandi magneti
Il legame tra i grandi magneti da esperimento e la
nostra città non nasce con me
Oltre agli esperti in sezione a Genova c’è una delle
ditte più quotate del mondo per la costruzione di
magneti superconduttori, la AS-G superconductors
come Ansaldo Superconduttori ha costruito, tra le altre
cose, i solenoidi di BaBar e di CMS
La collaborazione PANDA ha attribuito la
responsabilità per seguire la costruzione e l’installazione
del solenoide di PANDA a INFN-Genova
il solenoide di PANDA potrebbe essere un significativo
contributo “in-kind” a FAIR da parte dell’Italia
Genova, 20 aprile 2010
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Grazie per l’attenzione!
Genova, 20 aprile 2010
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