Metodi Sperimentali di Fisica Subnucleare
a.a. 2015/2016
22 Settembre-22 Dicembre 2015
" Problemi sperimentali e tecniche strumentali nella rivelazione delle radiazioni ”
Programma:
Introduzione.
Tipologia delle radiazioni.
Rivelatori di radiazione: generalità.
Interazione della radiazione con la materia: perdita di energia di particelle cariche, elettroni,
fotoni. Perdita di energia per ionizzazione, bremsstrahlung, produzione di coppie, interazioni
fotonucleari, nucleari, effetto fotoelettrico, Compton, effetto Cherenkov, radiazione
di transizione, Ionizzazione nei gas, sciami elettromagnetici e adronici
Acceleratori:
Introduzione , targhetta fissa e collisionatore; acceleratori elettrostatici, Van de
Graaff, tandem, acceleratori lineari, risonanti, struttura Wideroe, Alvarez, cavità
risonanti, betatrone, ciclotrone, ciclotroni relativistici, sincrociclotrone,
microtrone, sincrotrone, stabilità di fase, focheggiamento forte, anelli di
accumulazione, oscillazione di sincrotrone e betatrone, stabilità fasci, emittanza
e accettanza, radiazione di sincrotrone, raffreddamento fasci, funzione β.
Ettore Focardi
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Programma (cont)
Misure d’impulso.
Misure di posizione e ionizzazione: camere a ionizzazione, contatori proporzionali, streamer,
Geiger, camere proporzionali (MWPC), Camere a deriva, TPC, MSGC, GEM.
Rivelatori a semiconduttore, parametro d’impatto, giunzione p-n, corrente di buio,
risoluzione spaziale, fluttuazioni perdita di energia, deriva e diffusione, rumore,
doppia faccia, pixel, danneggiamento da radiazione.
Scintillatori: inorganici ed organici, guide di luce
Fotorivelatori: fotomoltiplicatore, HPD, fotodiodi, VLPC
Calorimetri: elettromagnetici e adronici, compensazione, perdite, presciamatore,
calorimetri omogenei e a campionamento
Trigger, rate eventi, livelli di trigger, monitor, DAQ, Controllo
Esempio di collisionatore e apparato: LHC e CMS.
Esame: preparazione di un argomento con presentazione con slides e discussione
Ettore Focardi
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Bibliografia
Trasparenze:
Contatti:
http://hep.fi.infn.it/FOC/lezmetspfisub.htm
[email protected]
Ettore Focardi
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Questione principale
Gli apparati sperimentali devono aiutare a rispondere alle domande:
• Quali sono i costituenti elementari della materia ?
• Quali sono le forze che regolano il loro comportamento base?
Ettore Focardi
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Costituenti della materia
Ettore Focardi
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Sale comune (NaCl)
Atomi Na e Cl sistemati in struttura periodica
Na
Cl
Si possono osservare i singoli atomi?
Si, usando microscopi elettronici
Atomo, indivisibile (50 a.C., Democrito)
Ettore Focardi
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Potenza del microscopio
Lunghezza d’onda della radiazione usata
piu’ piccola delle dimensioni dell’oggetto
da osservare
λ <<
h
hc
=
p
E
Oggetto
Dimensione
Energia
radiazione
Atomo
10-10 m
0.00001 GeV
(elettroni)
Nucleo
10-14 m
0.01 GeV
(alpha)
Nucleone
10-15 m
0.1 GeV
(elettroni)
quarks
?
>1 GeV
(elettroni)
Sorgenti radioattive hanno E ~ MeV
€
€
Acceleratori di particelle
necessari per energie piu’ alte
Ettore Focardi
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Dimensione delle cose
Ettore Focardi
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Fisica delle particelle e creazione dell’Universo
Ettore Focardi
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Costituenti della materia
Rutherford (1909): nucleo
Chadwick (1932): neutrone
SLAC (1968): quarks in neutroni e protoni
Ettore Focardi
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Forze
In che modo gli oggetti compositi precedenti sono tenuti insieme?
Ettore Focardi
Da Forze!!!
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Tipi di Forze
Ettore Focardi
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Come si sentono le forze
Interazione tra due particelle materiali (es. elettroni)
e2
F ∝ 2 rˆ
r
Azione a distanza
Newton
Forza su A dipende da dove si trova B.
Ma come A conosce dove si trova B?
€
Interazione tra Campi
Maxwell
B produce un campo, caratterizzato da un numero (e/r2) in ogni punto dello spazio
Forza su A e’ diretta nel verso in cui quel numero cambia piu’rapidamente
A determina la sua risposta investigando nelle sue vicinanze
Ma- non c’è connessione tangibile tra A e B
Forze prodotte da scambi di particelle ‘messaggero’
Feynman
B emette continuamente portatori di forza elettromagnetica, ‘fotoni’
Elettrone A assorbe il fotone e rincula (forza repulsiva tra e-)
Ettore Focardi
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Come si sentono le forze (2)
Le forze sono trasmesse per scambio di particelle ‘forza’ tra particelle ‘materia’
range di una forza α
1
massa della particella scambiata
Per le 4 forze osservate ci sono 4 differenti tipi di campi di forza
€
Ettore Focardi
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Interazioni di particelle
Il mondo subatomico non si osserva direttamente
Le particelle A e B, con identità e impulso conosciuti interagiscono dando luogo a due o più
particelle che attraversano il sistema di rivelazione per essere identificate e misurarne l’energia
Dettagli della reazione sono nascosti ma la bolla contiene tutte le possibilità permesse
Costante di accoppiamento (√α) dà la probabilità di emissione del quanto scambiato
Ettore Focardi
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Decadimento di un bosone Z
Ettore Focardi
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Osservabili in Esperimenti Fisica Alte energie
Contenuto di particelle nel
Modello Standard
Compito degli esperimenti è :
Identificare e misurare l’impulso con la miglior precisione di
Muoni ed elettroni
Fotoni
Getti (quarks)
Energia mancante (Et) (neutrini)
Ettore Focardi
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Evento di camera a bolle
1964: produzione e decadimento di un mesone Ω
Ettore Focardi
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Struttura a ‘cipolla’ esperimenti alte energie
Ogni strato identifica e misura
(o rimisura) l’energia delle
particelle non misurate nello
strato precedente
Non esiste un singolo rivelatore
che al tempo stesso identifica e
misura energia/ impulso delle
particelle
Ettore Focardi
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Vista trasversale esperimento CMS
Ettore Focardi
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Come è stato realizzato
Ettore Focardi
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