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Gli Acceleratori e i Rivelatori di Particelle Wander Baldini Istituto Nazionale di Fisica Nucleare.

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Presentazione sul tema: "Gli Acceleratori e i Rivelatori di Particelle Wander Baldini Istituto Nazionale di Fisica Nucleare."— Transcript della presentazione:

1 Gli Acceleratori e i Rivelatori di Particelle Wander Baldini Istituto Nazionale di Fisica Nucleare

2 cominciamo con gli acceleratori… Un acceleratore di particelle e un dispositivo che consente di accelerare particelle (es: elettroni e protoni) fino ad energie molto alte E costituito tipicamente da una serie di magneti disposti ad anello che contengono ed accelerano le particelle ad ogni giro I piu importanti si trovano a: CERN (Ginevra) L=27km E = 14TeV CERN (Ginevra) L=27km E = 14TeV Fermilab (Chicago) L=6.28 km E = 2TeV Fermilab (Chicago) L=6.28 km E = 2TeV un elettronvolt (eV) e lenergia che acquista un elettrone se accelerato da una differenza di potenziale di 1V

3 I rivelatori di particelle servono a vedere cosa succede quando si scontrano le particelle negli acceleratori Un Evento visto dallEvent Display del rivelatore CMS al CERN, approfondiremo in seguito….

4 Come rivelare una particella Per rivelare una particella occorre che questa interagisca con la materia Di fondamentale importanza dunque il concetto di interazione Gravita Debole Debole Elettromagnetica Elettromagnetica (e.m.) (e.m.) Forte Forte

5 Come interagiscono le particelle con la materia: Siamo qui interessati in particolare a capire come possiamo rivelare i vari tipi di particelle Le interazioni utilizzate per realizzare i rivelatori di particelle sono: ELETTROMAGNETICA ELETTROMAGNETICA FORTE FORTE Infatti la forza relativa dei 4 tipi di interazione: forte : 1 forte : 1 e.m. : 1/137 e.m. : 1/137 debole: ~10 -5 debole: ~10 -5 gravitazionale: ~ gravitazionale: ~ Troppo deboli!!

6 Quarks / Adroni Quarks: Quarks: u, c, t: hanno carica +2/3 u, c, t: hanno carica +2/3 d, s, b: hanno carica -1/3 d, s, b: hanno carica -1/3 Non esistono liberi ma sono confinati negli adroni Non esistono liberi ma sono confinati negli adroni Adroni, sono combinazioni di 2 o 3 quarks: Adroni, sono combinazioni di 2 o 3 quarks: Mesoni: 2 quarks, ±, pioni Mesoni: 2 quarks, ±, pioni Barioni: 3 quarks, p,n,… Barioni: 3 quarks, p,n,… Interagiscono sia e.m. che forte e ne esistono di molti tipi I piu importanti sono protone (p), neutrone (n), pione ( I piu importanti sono protone (p), neutrone (n), pione ( n (udd) p (uud) Hanno massa grande: p,n : ~ 940 MeV p,n : ~ 940 MeV ±, ~ 140 MeV ±, ~ 140 MeV

7 I Leptoni Elettrone e ± 0.5 MeV Elettrone e ± 0.5 MeV Muone μ ± 105 MeV Muone μ ± 105 MeV Tau ± 1800 MeV Tau ± 1800 MeV Neutrini < 2 eV Neutrini < 2 eV e ± μ ± ± Interagiscono e.m. e sono carichi elettricamente e ±, μ ±, ± Interagiscono e.m. e sono carichi elettricamente I neutrini interagiscono solo debole e dunque sono difficilissimi da rivelare

8 I bosoni vettori delle varie interazioni Secondo la meccanica quantistica una interazione tra particelle avviene attraverso lo scambio di unaltra particella chiamata bosone vettore Il vettore dellinterazione e.m. e il fotone Il vettore dellinterazione e.m. e il fotone I vettori delle interazioni deboli sono Z 0, W ± Il vettore delle interazioni forti si chiamano gluoni (g) e sono 8

9 Il comportamento di una particella nella materia dipende essenzialmente da come interagisce e dalla sua massa Allinterno di un materiale la particella interagisce con gli elettroni atomici e/o con i nuclei Le particelle con carica e.m. perdono energia gradualmente urtando principalmente gli elettroni atomici e liberando delle cariche elettriche nel materiale Le particelle con carica forte (adroni) interagiscono anche tramite interazione forte con i nuclei e-e- N e-e- N e-e- N e-e- N e-e- N e-e- N e-e- N

10 interagiscono solo e.m. (quindi non interagiscono tramite interazione forte con i nuclei) hanno la stessa massa degli elettroni atomici percio negli urti perdono molta energia e si fermano facilmente Elettroni e positroni (e - e +) e-e- N e-e- N e-e- N e-e- N e-e- N e-e- N e-e- N e±e±e±e±

11 hanno una massa molto maggiore degli elettroni atomici ( 200 volte) percio negli urti perdono poca energia Muoni Muoni interagiscono solo e.m. (quindi non interagiscono forte con i nuclei) Sono dunque molto penetranti (servono molti metri di materiale per fermarli) e-e- N e-e- N e-e- N e-e- N e-e- N e-e- N e-e- N ±

12 hanno anche loro una massa molto maggiore degli elettroni atomici ( 300 volte) percio negli urti perdono poca energia Gli Adroni interagiscono sia e.m. con gli elettroni che forte con i nuclei e possono essere carichi (es. p, ± ), che neutri (es. n, 0 ) Sono dunque molto penetranti ( 1m) ma non quanto i muoni i muoni e-e- N e-e- N e-e- N e-e- N e-e- N e-e- N e-e- N p,n…

13 Vari tipi di rivelatore: Sistemi di tracciamento misurano la direzione di particelle cariche senza deviarle Quindi devono essere costituiti da materiali poco densi (gas) o da strati molto sottili (semiconduttori o fibre ottiche plastiche) Devono avere piu stadi per misurare la direzione della traccia Vedono solo le particelle cariche Sistemi di tracciamento Particella carica

14 Vari tipi di rivelatori: Calorimetri misurarano lenergia delle particelle fermandole (cioe assorbendo tutta la loro energia). Quindi devono essere costituiti da materiali molto densi (esempio Pb, Fe,..) Possono essere e.m. : ottimizzati per misurare lenergia di elettroni e fotoni elettroni e fotoni adronici : per misurare lenergia degli adroni adronici : per misurare lenergia degli adroni e ±, h ± e.m e.m.adronico Rivelatore di muoni Il rivelatore dei muoni: e posto dopo ai calorimetri, dove arrivano (quasi) solo i muoni

15 Riassumendo: il comportamento delle le varie particelle

16 Vista schematica di un tipico rivelatore di particelle

17

18 LHC: il Large Hadron Collider

19 metri sotto terra Circonferenza: 27 km Lago di Ginevra Alpi 4 punti di interazione Jura Fiume Rodano

20 Il Complesso di acceleratori del CERN 50 MeV 1.4 GeV 25 GeV 450 GeV 7 TeV

21 Il CERN e LHC Fondato nel 1954, al fine di unire le conoscenze europee nel campo della fisica nucleare, da 12 paesi europeei tra cui lItalia Oggi conta 2400 impiegati, visiting scientists, collabora con 608 universita e 113 paesi di tutto il mondo. LHC fa collidere protoni ad una energia totale di 14 TeV (7 per fascio) in un tunnel circolare scavato ad una profondita media di 100m, per non deturpare lambiente e per schermare le radiazioni La circonferenza e 27 chilometri, e composto da migliaia di magneti, tra cui 1232 magneti dipolari (15m) per deflettere la particelle, 392 magneti quadripolari (7m) per focalizzarle, il tutto tenuto ad una temperatura di circa -271 °C Il consumo energetico totale e di 120 MW (quanto lintera Ginevra), dovuto in gran parte al sistema di raffreddamento Il costo complessivo del progetto e di circa 6.5 GEuro, di cui 5 G-euro per LHC, 1.35 G-euro per i 4 rivelatori, 150 M-euro per il computing

22 Nel pomeriggio analizzeremo degli eventi visti dal rivelatore CMS: Compact Muon Solenoid

23 SI Un esempio di evento visto nel rivelatore CMS J/Ψ μ+ μ- ??? Carica opposta Stessa carica SI NO La particella J/Ψ e formata da una coppia di quarks charm- anticharm ed e una cosiddetta risonanza ossia una particella che vive per un tempo brevissimo (< s)

24 La risonanza J/Ψ e la sua massa invariante Quando una particella instabile come la J/psi decade, per la conservazione del 4-vettore energia-impulso, le particelle in cui decade devono avere caratteristiche cinematiche ben definite, molto utili per riconoscere questi decadimenti Visto che abbiamo a che fare con particelle che viaggiano quasi alla velocita della luce dobbiamo usare la cinematica relativistica J/Ψ μ+ μ- Massa invariante della J/Ψ


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