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Hands on Physics Acceleratori e rivelatori di particelle dott. Massimo Della Pietra Napoli, 19 Febbraio 2008.

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Presentazione sul tema: "Hands on Physics Acceleratori e rivelatori di particelle dott. Massimo Della Pietra Napoli, 19 Febbraio 2008."— Transcript della presentazione:

1 Hands on Physics Acceleratori e rivelatori di particelle dott. Massimo Della Pietra Napoli, 19 Febbraio 2008

2 19 Febbraio 2008Acceleratori 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 19 Febbraio 2008Acceleratori e Rivelatori3 Premessa Come percepiamo il mondo? fascio di luce apparato rivelatore elaborazione dei dati

4 19 Febbraio 2008Acceleratori 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 19 Febbraio 2008Acceleratori e Rivelatori5 Perché gli acceleratori? Le particelle si comportano come delle onde con lunghezza d’onda 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” dell’immagine.  d

6 19 Febbraio 2008Acceleratori e Rivelatori6 Perché gli acceleratori? Particelle con una grande quantità di moto possono “illuminare” oggetti piccoli Inoltre è possibile convertire l’energia liberata nell’urto 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 19 Febbraio 2008Acceleratori 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 nell’urto 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 19 Febbraio 2008Acceleratori e Rivelatori8 Da dove prendiamo le particelle? Gli elettroni si ottengono riscaldando dei filamenti metallici (“effetto termoionico”) I protoni sono i nuclei dell’atomo di idrogeno E le anti-particelle?

9 19 Febbraio 2008Acceleratori 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 19 Febbraio 2008Acceleratori e Rivelatori10 Come funziona un acceleratore? Qual è l’acceleratore più comune? Il Televisore !!!!!!! E=20000 eV

11 19 Febbraio 2008Acceleratori e Rivelatori11 Le cavità a radiofrequenza

12 19 Febbraio 2008Acceleratori e Rivelatori12 Acceleratori Esistono diversi tipi di acceleratori: Lineari Circolari

13 19 Febbraio 2008Acceleratori e Rivelatori13 Modo di utilizzo Bersaglio fisso Esperimento di Rutherford Rivelatori Acceleratore

14 19 Febbraio 2008Acceleratori e Rivelatori14 Modo di utilizzo Collisori Nel 1961 Bruno Touschek ebbe l’dea geniale di utilizzare lo stesso acceleratore per far collidere materia e antimateria. Tutta l’energia della collisione è disponibile ad essere convertita E=29 GeVE=900 GeV

15 19 Febbraio 2008Acceleratori e Rivelatori15 LEP al CERN LEP al CERN di Ginevra ( ) Il collisore e + e - a più alta energia (E=207 GeV) 8 Km

16 19 Febbraio 2008Acceleratori e Rivelatori16 Tevatron al FermiLAB Collisore protone antiprotone all’energia di 2 TeV (un milione di milioni di eV)

17 19 Febbraio 2008Acceleratori e Rivelatori17 PEP II a Stanford Due anelli uno sopra l’altro, uno per gli elettroni e uno per i positroni E=10 GeV

18 19 Febbraio 2008Acceleratori e Rivelatori18 LHC al CERN (dal 2007) 100 m Collisioni a 14 TeV (milioni di milioni di eV)

19 19 Febbraio 2008Acceleratori 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 19 Febbraio 2008Acceleratori 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 l’interazione debole.... “sfuggono” ai nostri rivelatori lasciando “poche tracce”! –Muoni perdono poca energia, sono più penetranti

21 19 Febbraio 2008Acceleratori e Rivelatori21 Rivelare le particelle Alla base di tutti i rivelatori c’è 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 19 Febbraio 2008Acceleratori 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 19 Febbraio 2008Acceleratori e Rivelatori23 Camera a bolle Le particelle cariche ionizzano un liquido prossimo all’ebollizione lasciando una scia di “bollicine” lungo la loro traiettoria.

24 19 Febbraio 2008Acceleratori 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 19 Febbraio 2008Acceleratori 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 19 Febbraio 2008Acceleratori 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 sull’anodo Dal tempo di “deriva” si misura lo spazio percorso

27 19 Febbraio 2008Acceleratori e Rivelatori27 Camere a filo Prof. Charpak Premio Nobel del 1992 per l’invenzione delle camere a multifilo (1968) Camera a fili di KLOE

28 19 Febbraio 2008Acceleratori 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 19 Febbraio 2008Acceleratori 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 l’energia in entrata fino a poterla rivelare (metodo distruttivo: vale anche per particelle neutre) L’energia della particella E sviene convertito in un segnale S proporzionale ad E

30 19 Febbraio 2008Acceleratori 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 19 Febbraio 2008Acceleratori e Rivelatori31 Calorimetri Calorimetri a “sampling” Alternanza assorbitore - scintillatore Calorimetri a cristalli Il cristallo funge sia da assorbitore che da scintillatore BaBar CsI(Tl)16 X 0 L3 BGO 22X 0 CMS PWO(Y) 25X 0 30 cm

32 19 Febbraio 2008Acceleratori e Rivelatori32 Calorimetri

33 19 Febbraio 2008Acceleratori e Rivelatori33 Esperimento ai collider Struttura a “cipolla” Tracciatori Calorimetro per elettroni e fotoni Calorimetro per adroni Tracciatori per muoni Magneti per curvare

34 19 Febbraio 2008Acceleratori e Rivelatori34 Esperimento ai collider

35 19 Febbraio 2008Acceleratori e Rivelatori35 Esperimento ai collider

36 19 Febbraio 2008Acceleratori 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 l’energia e impulso iniziale e quelle misurate Energia e Impulso si conservano!

37 19 Febbraio 2008Acceleratori e Rivelatori37 L’esperimento 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 19 Febbraio 2008Acceleratori e Rivelatori38 Elettroni Traccia nei tracciatori centrali Tutta l’energia depositata nel calorimetro Elettrone!

39 19 Febbraio 2008Acceleratori e Rivelatori39 Muoni Traccia nei tracciatori centrali Poca energia nel calorimetro Traccie nel rivelatore per muoni Muoni!

40 19 Febbraio 2008Acceleratori 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 19 Febbraio 2008Acceleratori 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 19 Febbraio 2008Acceleratori e Rivelatori42 L’esperimento 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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