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Hands on Physics Acceleratori e rivelatori di particelle dott. Massimo Della Pietra Napoli, 8 Marzo 2005.

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Presentazione sul tema: "Hands on Physics Acceleratori e rivelatori di particelle dott. Massimo Della Pietra Napoli, 8 Marzo 2005."— Transcript della presentazione:

1 Hands on Physics Acceleratori e rivelatori di particelle dott. Massimo Della Pietra Napoli, 8 Marzo 2005

2 8 Marzo 2005Acceleratori e Rivelatori2 Introduzione Acceleratori –Perché gli acceleratori? –Generazione delle particelle –Cavità a radiofrequenza –Tipologie di acceleratori –Modo di utilizzo Rivelatori –Tipologie di rivelatori –Tracciatori –Calorimetri –Apparati per esperimenti –Esempi di rivelazione Quali sono gli strumenti di lavoro di un fisico che studia le particelle elementari?

3 8 Marzo 2005Acceleratori e Rivelatori3 Premessa Come percepiamo il mondo? fascio di luce apparato rivelatore elaborazione dei dati

4 8 Marzo 2005Acceleratori e Rivelatori4 Premessa Altri modi per vedere ! –Sottrazione di luce..... –Con il suono (pipistrelli, delfini, ecografia).... Perché si usano i raggi X e gli ultrasuoni e non la luce ed il suono normali per illuminare ?

5 8 Marzo 2005Acceleratori e Rivelatori5 Perché gli acceleratori? Le particelle si comportano come delle onde con lunghezza donda inversamente proporzionale alla quantità di moto (dualismo onda-corpuscolo) Per vedere oggetti piccoli occorrono onde corte. Microscopio elettronico Più sono corte maggiore è la risoluzione dellimmagine. d

6 8 Marzo 2005Acceleratori e Rivelatori6 Perché gli acceleratori? Particelle con una grande quantità di moto possono illuminare oggetti piccoli Inoltre è possibile convertire lenergia liberata nellurto fra particelle in nuove particelle più pesanti E=mc 2 Lo studio delle collisioni ci aiuta a capire la natura della materia e delle forze

7 8 Marzo 2005Acceleratori e Rivelatori7 Da dove prendiamo le particelle? Piovono dal cielo! I primi fasci di particelle per gli studi di fisica nucleare e subnucleare erano costituiti o da particelle E=10MeV) o dai raggi cosmici Protoni e fotoni primari provenienti dallo spazio generano particelle secondarie nellurto con i nuclei dei gas atmosferici (100 particelle a m 2 sul livello del mare) Esistono raggi cosmici molto energetici ma rari ad arrivo casuale ACCELERATORI

8 8 Marzo 2005Acceleratori e Rivelatori8 Da dove prendiamo le particelle? Gli elettroni si ottengono riscaldando dei filamenti metallici (effetto termoionico) I protoni sono i nuclei dellatomo di idrogeno E le anti-particelle?

9 8 Marzo 2005Acceleratori e Rivelatori9 Come le facciamo muovere? SN Campi elettrici per accelerare Campi magnetici per curvare Impulso maggiore Impulso minore Carica opposta V E=100 eV

10 8 Marzo 2005Acceleratori e Rivelatori10 Come funziona un acceleratore? Qual è lacceleratore più comune? Il Televisore !!!!!!! E=20000 eV

11 8 Marzo 2005Acceleratori e Rivelatori11 Le cavità a radiofrequenza

12 8 Marzo 2005Acceleratori e Rivelatori12 Acceleratori Esistono diversi tipi di acceleratori: Lineari Circolari

13 8 Marzo 2005Acceleratori e Rivelatori13 Modo di utilizzo Bersaglio fisso Esperimento di Rutherford Rivelatori Acceleratore

14 8 Marzo 2005Acceleratori e Rivelatori14 Modo di utilizzo Collisori Nel 1961 Bruno Touschek ebbe ldea geniale di utilizzare lo stesso acceleratore per far collidere materia e antimateria. Tutta lenergia della collisione è disponibile ad essere convertita E=29 GeVE=900 GeV

15 8 Marzo 2005Acceleratori e Rivelatori15 LEP al CERN LEP al CERN di Ginevra ( ) Il collisore e + e - a più alta energia (E=207 GeV) 8 Km

16 8 Marzo 2005Acceleratori e Rivelatori16 Tevatron al FermiLAB Collisore protone antiprotone allenergia di 2 TeV (un milione di milioni di eV)

17 8 Marzo 2005Acceleratori e Rivelatori17 PEP II a Stanford Due anelli uno sopra laltro, uno per gli elettroni e uno per i positroni E=10 GeV

18 8 Marzo 2005Acceleratori e Rivelatori18 LHC al CERN (dal 2007) 100 m Collisioni a 14 TeV (milioni di milioni di eV)

19 8 Marzo 2005Acceleratori e Rivelatori19 Rivelatori Una volta che abbiamo prodotto le particelle che dobbiamo misurare? Posizione e direzione del moto Carica elettrica Energia Impulso Massa Tempi di vita

20 8 Marzo 2005Acceleratori e Rivelatori20 Rivelare le particelle Tutte le particelle, attraversando la materia, perdono una parte della loro energia. –Particelle cariche: urti anelatici con gli elettroni degli atomi che incontrano; –Tutti gli adroni (carichi e neutri) per reazioni nucleari con i nuclei che incontrano; –Elettroni emettono luce frenando –Fotoni possono creare coppie e + e - –Neutrini hanno solo linterazione debole.... sfuggono ai nostri rivelatori lasciando poche tracce! –Muoni perdono poca energia, sono più penetranti

21 8 Marzo 2005Acceleratori e Rivelatori21 Rivelare le particelle Alla base di tutti i rivelatori cè il principio di convertire questa energia rilasciata in segnali concreti da rivelare. Tecniche diverse a seconda del tipo di particella da rivelare. Ad esempio un rivelatore di fotoni deve essere necessariamente diverso da un rivelatore di muoni.

22 8 Marzo 2005Acceleratori e Rivelatori22 Emulsioni Fotografiche Nei primi esperimenti con i raggi cosmici si inviavano lastre fotografiche sui palloni aerostatici. Le particelle cariche impressionano le lastre fotografiche lasciando una scia del loro passaggio. 0,1 mm

23 8 Marzo 2005Acceleratori e Rivelatori23 Camera a bolle Le particelle cariche ionizzano un liquido prossimo allebollizione lasciando una scia di bollicine lungo la loro traiettoria.

24 8 Marzo 2005Acceleratori e Rivelatori24 Scintillatori guida di luce fotomoltiplicatore Per misure di tempo errore ~ns (10 -9 sec) Scintillatore Una particella carica genera una luce scintillante in particolari cristalli

25 8 Marzo 2005Acceleratori e Rivelatori25 Tracciamento di particelle Nei rivelatori traccianti i segnali generati al passaggio delle particelle cariche servono a misurare con precisione i punti dove è passata la particella. Per poter rivelare la particella senza distruggerla o alterarla troppo occorre che i tracciatori siano trasparenti Il modo di determinare i singoli punti può variare a seconda della tecnica usata Rivelatori a Gas Rivelatori a semiconduttore Tramite la connessione di punti si ricostruisce la traiettoria

26 8 Marzo 2005Acceleratori e Rivelatori26 Rivelatori a Gas scintillatore titi tftf Gas d = v·(t f – t i ) Le particelle cariche ionizzano il gas Gli elettroni prodotti vengono raccolti sullanodo Dal tempo di deriva si misura lo spazio percorso

27 8 Marzo 2005Acceleratori e Rivelatori27 Camere a filo Prof. Charpak Premio Nobel del 1992 per linvenzione delle camere a multifilo (1968) Camera a fili di KLOE

28 8 Marzo 2005Acceleratori e Rivelatori28 Rivelatori a semiconduttore Sono costituiti da piccoli chip di materiale semiconduttore che genera un segnale elettrico al passaggio di una particella carica Risoluzione di alcuni centesimi di millimetro

29 8 Marzo 2005Acceleratori e Rivelatori29 Calorimetri A differenza dei tracciatori che devono essere trasparenti per misurare la particella senza modificare lo stato, i Calorimetri sono blocchi di materiale denso che devono degradare tutta lenergia in entrata fino a poterla rivelare (metodo distruttivo: vale anche per particelle neutre) Lenergia della particella E sviene convertito in un segnale S proporzionale ad E

30 8 Marzo 2005Acceleratori e Rivelatori30 Calorimetri Fotoni, elettroni, positroni Sciame elettromagnetico Sciame adronico Protoni, neutroni, pioni... Piombo Foto in una camera a nebbia di uno sciame elettromagnetico di un elettrone

31 8 Marzo 2005Acceleratori e Rivelatori31 Calorimetri Calorimetri a sampling Alternanza assorbitore - scintillatore Calorimetri a cristalli Il cristallo funge sia da assorbitore che da scintillatore

32 8 Marzo 2005Acceleratori e Rivelatori32 Calorimetri

33 8 Marzo 2005Acceleratori e Rivelatori33 Esperimento ai collider Struttura a cipolla Tracciatori Calorimetro per elettroni e fotoni Calorimetro per adroni Tracciatori per muoni Magneti per curvare

34 8 Marzo 2005Acceleratori e Rivelatori34 Esperimento ai collider

35 8 Marzo 2005Acceleratori e Rivelatori35 Esperimento ai collider

36 8 Marzo 2005Acceleratori e Rivelatori36 Cosa manca? I neutrini! Interagiscono così poco con la materia che sono capaci di attraversare indisturbati la terra da parte a parte Si possono però ottenere informazioni su di loro per differenza tra lenergia e impulso iniziale e quelle misurate Energia e Impulso si conservano!

37 8 Marzo 2005Acceleratori e Rivelatori37 Lesperimento Delphi al LEP DELPHI è uno dei quattro esperimenti al LEP del CERN Ha rivelato milioni di bosoni Z e W ( e non solo) che ci hanno permesso di verificare il Modello Standard

38 8 Marzo 2005Acceleratori e Rivelatori38 Elettroni Traccia nei tracciatori centrali Tutta lenergia depositata nel calorimetro Elettrone!

39 8 Marzo 2005Acceleratori e Rivelatori39 Muoni Traccia nei tracciatori centrali Poca energia nel calorimetro Traccie nel rivelatore per muoni Muoni!

40 8 Marzo 2005Acceleratori e Rivelatori40 Jet di adroni Ad ogni traccia è associata una particella carica Presenza di particelle neutre senza tracce ma con depositi di energia nei calorimetri

41 8 Marzo 2005Acceleratori e Rivelatori41 Conclusioni Gli acceleratori sono strumenti fondamentali per produrre e studiare le particelle elementari Alte energie servono sia per produrre particelle nuove con masse maggiori che per indagare a distanze sempre più piccole Le tecniche di rivelazione delle particelle elementari sono applicate anche alla medicina e alla biologia (TAC, PET, RMN...) Sviluppo di elettronica e software di frontiera

42 8 Marzo 2005Acceleratori e Rivelatori42 Lesperimento ATLAS a LHC 46 m 22 m 46 m In un punto di LHC ci sarà ATLAS, uno dei prossimi grandi esperimenti di fisica delle particelle


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