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1 Rivelazione di particelle roberto spighi, Bologna 17 marzo 2015 11th International Masterclasses 2015 Un’iniziativa EPOG European Particle-Physics Outreach.

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1 1 Rivelazione di particelle roberto spighi, Bologna 17 marzo th International Masterclasses 2015 Un’iniziativa EPOG European Particle-Physics Outreach Group con la partecipazione della sezione INFN di Bologna Bologna, Praga, Nijmegen, Bratislava, Stoccolma studenti, 42 paesi, 200 Università coinvolte

2 2 L’importanza dello studio delle particelle Perchè usare acceleratori sempre più potenti Rivelazione delle particelle Riconoscimento di eventi particolari Indice

3 3 ATOMO  m (0.1 miliardesimo di metro) elettrone Protoni e neutroni Bohr Rutherford conoscere ciò che ci circonda Tutta la materia che ci circonda è fatta di atomi Sono i costituenti ultimi? NUCLEO  m Si può andare ancora nel più piccolo?

4 Robert Downey jr. 4 Per vedere il mondo microscopico non possiamo usare gli occhi Ci dobbiamo servire di altri strumenti bacchetta sottile bastone grosso riconosco parti con dimensioni ~ sezione della bacchetta Testa, occhi, naso... Corpo studiare il mondo senza vederlo

5 5 Perchè gli acceleratori? -1 Per vedere le particelle devo avere “bacchette” piccolissime Particelle stesse λ PICCOLA ACCELERATORI PIU’ POTENTI SONO  PIU’ VEDONO IL PICCOLO particelle con GRANDE ENERGIA λ~ 1/p p è la quantità di moto (proporzionale all’energia) dualismo onda-corpuscolo: le particelle si comportano come onde e la loro dimensione è la lunghezza d’onda associata Se voglio vedere oggetti piccoli λ

6 6 Perchè gli acceleratori? 2 E = Mc 2 MASSA ENERGIA + ACCELERATORE POTENTE  + PRODUCE PARTICELLE ALTA ENERGIA  PRODUCONO ALTRE PARTICELLE  STUDIO INFINITAMENTE PICCOLO PIONI KAONI MUONI PROTONI

7 7 N V E=100 eV Campi elettrici per accelerare Campi magnetici per curvare Acceleratori: come funzionano particelle prodotte riscaldando filamenti (elettroni) o per ionizzazione (es H senza e - = protone) o con urti (antiparticelle) particelle corrono dentro dei tubi S Traiettorie circolari

8 I primi acceleratori Sorgente di particelle Acceleratore lineare Acceleratore circolare primo acceleratore 8

9 9 Acceleratori: a bersaglio fisso e collider Bersaglio fisso Collider Acceleratore E = mc 2 Energia  materia (particelle) bersaglio

10 10 LHC CERN (GINEVRA) 27 KM CIRC. Bunch protoni 2012: ~ urti/s E = 8 TeV (> eurostar a 200 km/h) CERN Bunch protoni Beam pipe 2015: E = 13 TeV

11 11 I 4 esperimenti di LHC ATLAS CMS ALICE LHC-B

12 12 UN URTO AD LHC Centinaio di particelle prodotte: ricostruirle e riconoscerle  apparati molto grandi  separo le varie particelle  struttura a “cipolla”  in ogni strato lasciano un segnale

13 13 rivelatori di particelle  Posizione  Direzione del moto  Energia/impulso  tempo di vita  Tipo di particella Cosa dobbiamo sapere di ogni particella? Identificazione cinematica  tracciatori TUTTO !! Beam pipe e protoni impulso identificazione evento

14 14 Tracciatori e rivelatori di vertice la rivelazione delle particelle si basa sugli effetti prodotti dal loro passaggio nella materia Particelle cariche: se attraversano un mezzo incontrano atomi  forza di Coulomb Ionizzano Segnale elettrico Filo carico Mezzo (gas o anche solido) Ricostruita la traiettoria della particella + -

15 15 ATLAS: Tracciatori e rivelatori di vertice ~80 milioni di pixels Tracce distinte fino a 0.2 mm Precisione sul vertice = 15 μm Rivelatori Si a semi-conduttore Pixel Strip 50 x 400 μm 80 μm x 6.4 cm Camere a drift

16 16 Misura dell’impulso (o quantità di moto) Fatto dal tracciatore con il campo magnetico Forza di lorentz: tra una carica ed un campo magnetico si esercita una forza Raggio di curvatura modulo dell’impulso mv e la carica q N Impulso maggiore (+) Impulso minore (+) Carica opposta - S rivelazione

17 17 I magneti superconduttori di ATLAS solenoide B = 2 Tesla Raggio ~ 1 m toroide B = ~0.5 Tesla Raggi ~ 9 e 20 m Lungh ~ 25 m Toroide Frontale Toroide dall’alto

18 18 Il riconoscimento delle particelle Parte interna dedicata al tracciamento Parte esterna dedicata al riconoscimento (ed anche al tracciamento)  Calorimetri  Elettromagnetico  Adronico  Rivelatori di muoni Particella viaggia ~ indisturbata Particelle ~ “distrutte”  collidono con materiali densi identificazione

19 19 Il calorimetro elettromagnetico Piombo strati di materiale denso alternati a strati di rivelatore di γ  effetto a catena (sciame em)  particelle perdono energia  sciame si esaurisce Calorimetri riconoscere e ±,γ bremstrahlung

20 20 p, n, π  urtano atomi del calorimetro  creano altre particelle Il calorimetro adronico Riconoscere p, n e π (protoni, neutroni, pioni) e misura energia strati di Fe alternati a strati di rivelatore Sciame adronico Sciame elettromagnetico...  Inizia dopo  Più aperto  Meno simmetrico calorimetri cosmici

21 21 rivelatori di muoni Rivela muoni e ne misura l’impulso (con il magnete toroide) Muoni sono “poco interagenti”  se attraversano materiali perdono poca energia  ~unici ad arrivare a questo rivelatore Rivelatore più esterno e più grande (~22 m di diametro) “botte” a più strati con 2 «tappi» laterali (big wheel) “tappo” MDT Monitor drift tubes Costruzione ATLAS All atlas

22 22 Ricostruzione delle particelle Per vedere il programma interattivo sulla ricostruzione delle particelle, collegarsi all’indirizzo All’interno del sito delle Masterclass

23 23 Identificazione delle particelle start

24 24 Riconoscimento delle principali particelle Elettroni Positroni muoni gamma Pioni/prot neutrini Tracciatore Calorimetro em Tutti Tracciatore Calorimetro adr Calorimetro em

25 25 Ricostruzione degli eventi Z 0  particella instabile: creata, vive e decade Z0Z0 μ + (e + ) μ - (e - ) Tempo (s) 0 3x Spazio (m) Z 0  impossibile da misurare direttamente Z 0  ricostruire dagli elettroni e muoni

26 26 Ricostruzione della Z 0 Z0Z0 μ + (e + ) μ - (e - ) 1) Riconoscere i prodotti di decadimento μ + μ - o e + e - 2) Ricostruire la MASSA ( ± 0.002) GeV

27 27 Ricostruzione della Massa della Z 0 Z0Z0 μ + (e + ) μ - (e - ) elettroni (muoni) misuriamo Impulso  Energia Conservazione q. moto/Energia totale (~urto elastico)

28 28 evento 2 μ e con carica opposta atlas visione longitudinale visione trasversa μ positivo  |P| = 59 GeV μ negativo  |P| = 72 GeV M inv = 86.7 GeV Candidato Z 0  μ + μ - ≠ μ Energia mancante piccola

29 29 evento No tracce cariche M inv = GeV Candidato H  γγ visione longitudinale visione trasversa “phisics objects“  2 gamma

30 30 questo è un bell’esercizio basato su dati veri è la fisica di maggior interesse oggi la tecnologia associata è al massimo livello di sviluppo se deciderete di fare fisica noi Conclusioni Grazie a tutti, studenti e professori Vi accoglieremo a braccia aperte


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