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P. Ciambrone, G. Corradi, E. Pace, C. Petrascu LNF – INFN, 16-17 Settembre, 2002.

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1 P. Ciambrone, G. Corradi, E. Pace, C. Petrascu LNF – INFN, Settembre, 2002

2 ContenutoContenuto 1.Idee generali alla base della rivelazione di particelle; 2.In passaggio delle particelle allinterno dei materiali: principi generali; 3.I rivelatori a gas; 4.Tipi di rivelatori a gas e esperimenti che li usano 5.Presentazione generale del progetto: apparato sperimentale, lelettronica associata e lacquisizione dei dati sul computer; 6.Particelle da rivelare: raggi cosmici – generalita; 7.Progetto per le misure da effetuare nel laboratorio il 17 Settembre;

3 1) Idee generali alla base della rivelazione di particelle

4 Cosa sono i rivelatori di particelle I I rivelatori di particelle sono strumenti elettro-meccanici inventati per poter misurare i deboli segnali prodotti dalle particelle sub-atomiche. grazie ai rivelatori di particelle e` stato possibile vedere le particele sub-atomiche e determinare le loro caratteristiche. K p LHC Esistono rivelatori diversi con caratteristiche specifiche ottimizzate per effettuare le misure necessarie; nei moderni esperimenti di fisica si usano insiemi complessi di piu` rivelatori. Combinando opportunamente i dati rivelati si e` in grado di determinare traiettorie, velocita`, masse, cariche elettriche. Esistono rivelatori diversi con caratteristiche specifiche ottimizzate per effettuare le misure necessarie; nei moderni esperimenti di fisica si usano insiemi complessi di piu` rivelatori. Combinando opportunamente i dati rivelati si e` in grado di determinare traiettorie, velocita`, masse, cariche elettriche.

5 Cosa sono i rivelatori di particelle II l accettanza completa e fitta segmentazione l ricostruisce le tracce ed identifica tutte le particelle l effettua misure di impulso e/o di energia l ha tempo morto nullo velocita` di risposta elevata Il rivelatore ideale di particelle ha le seguenti caratteristiche: Si utilizzano rivelatori magnetici per determinare la cariche e limpulso delle particelle Maggiore impulso Minore impulso

6 2) In passaggio delle particelle allinterno dei materiali: principi generali

7 Rivelazione di particelle: principi generali I processi che ci permettono di rivelare le particelle sub-nucleari sono diversi: Le particelle cariche sono rivelate attraverso la loro interazione elettromagnetica con gli elettroni atomici dei mezzi attraversati I fotoni vengono rivelati indirettamente attraverso gli elettroni che essi producono per effetto fotoelettrico, diffusione Compton o produzione di coppie I neutroni subiscono interazioni forti con i nuclei dei materiali producendo particelle secondarie cariche Le particelle piu` difficili da rivelare sono i neutrini che possono avere solo interazioni deboli con i nuclei o gli elettroni. In questi processi si ha lemissione di leptoni Le particelle piu` difficili da rivelare sono i neutrini che possono avere solo interazioni deboli con i nuclei o gli elettroni. In questi processi si ha lemissione di leptoni

8 La formula di Bethe-Bloch per la perdita denergia dE dx = 4 N A r e 2 m e c 2 z 2 1/2 ln T max 2 Z A 2 2m e c I2I2 dE dx Dipende solo da non da m Esprime la perdita di energia per ionizzazione di una particella carica pesante ( m>>m e ) Per e + e - la massa del bersaglio e del proiettile sono uguali, ed inoltre si deve tener conto del fenomeno Bremsstrahlung. Per e + e - la massa del bersaglio e del proiettile sono uguali, ed inoltre si deve tener conto del fenomeno Bremsstrahlung. I < dE < T max I pot. di eccitazione medio I I 0 Z ; I 0 = 10 eV

9 Perdita di energia di elettroni e positroni Per energie di elettroni/positroni > 10 MeV entra in gioco il fenomeno della Bremsstrahlung emissione di fotoni dovuta alleffetto accelerante del campo Coulombiano dei nuclei dE dx = E X0X0 X 0 = g cm A Z (Z+ 1) ln (287/ Z) Lunghezza di radiazione ZA e

10 Rivelazione di fotoni Per poter essere rivelato un fotone deve creare o cedere energia ad una particella carica + atomo ione + + e XX e Effetto fotoelettrico Vengono estratti principalmente elettroni delle shell K foto Z 5 Diffusione Compton compton Produzione di coppie Z + campo Coul. e + + e E > m e c 2 Solo se E` un fenomeno di diffusione da parte di un elettrone quasi libero e + e + e

11 Rivelazione di adroni Z,A Adrone n p Gli adroni subiscono interazioni nucleari che determinano eccitazione o rottura del nucleo. La molteplicita` ln(E) a = A N A inel In analogia con linterazione elettromagnetica si definisce il coefficiente di assorbimento adronico

12 Rivelazione di neutroni Non avendo carica linterazione dei neutroni e` basata su interazioni forti e deboli Reazioni attraverso le quali e` possibile rivelare i neutroni: n + 6 Li + 3 He n + 10 B + 7 Li l n + 3 He p + 3 H l n + p n + p E n < 20 MeV E n < 1GeV …inoltre per neutroni termici ( E n 1/40 eV ) si possono avere fenomeni di fissione e per neutroni E n > 1GeV fenomeni di cascata adronica

13 Rivelazione di neutrini Come per i neutroni anche i neutrini sono rivelati con processi indiretti l + n l + p l + p l + n l = e, lefficienza di rivelazione 1 m di Ferro NANA A = d La sezione durto del processo e + n e + p e` circa cm 2 Per rivelare i occorrono flussi elevati e rivelatori estremamente massicci (ktons) In esperimenti agli acceleratori, dove si disponga di detector ermetici, le proprieta` dei neutrini possono essere dedotte indirettamente una volta che si sono misurate tutte le altre particelle presenti nellevento

14 3) Rivelatori a gas

15 Rivelatori a gas particella carica e +, e -, +, p etc uno degli atomi del gas, viene ionizzato Lelettrone, libero, sente il campo elettrico, e viene accelerato; colpendo gli altri atomi del gas produce una valanga di elettroni 10 7÷8 - recipiente contenente gas + alimentatore segnale elettrico ADCanalisi e archivio 0/1

16 Rivelatori a gas I le particelle cariche attraversando un gas lo ionizzano Ionizzazione primaria Spesso gli elettroni prodotti hanno sufficiente energia per effettuare ulteriori ionizzazioni Spesso gli elettroni prodotti hanno sufficiente energia per effettuare ulteriori ionizzazioni n total = E WiWi W i = potenziale di estrazione E = dE/dx x Z Una m.i.p perde circa 2 MeV in un cm di Ar 100 coppie e /ione troppo poche per essere rivelate occorre amplificare il segnale Una m.i.p perde circa 2 MeV in un cm di Ar 100 coppie e /ione troppo poche per essere rivelate occorre amplificare il segnale Si usano gas nobili perche` avendo le shell complete dissipano lenergia trasferita solo attraverso la ionizzazione. Si aggiungono basse percentuali di idrocarburi per evitare scariche. Si usano gas nobili perche` avendo le shell complete dissipano lenergia trasferita solo attraverso la ionizzazione. Si aggiungono basse percentuali di idrocarburi per evitare scariche. Ionizzazione totale 3, 4 volte ionizzazione primaria Ar 11.e eV e catodo Cu 7.7 eV

17 Rivelatori a gas II La carica e` raccolta senza moltiplicazione Si ha moltiplicazione delle cariche prodotte dalla ionizzazione primaria con produzione di una valanga ampl E Si ha moltiplicazione delle cariche prodotte dalla ionizzazione primaria con produzione di una valanga ampl E E` detta anche regione di streamer limitato si formano piu` valanghe e si perde la proporzionalita` E` detta anche regione di streamer limitato si formano piu` valanghe e si perde la proporzionalita` Regione Geiger. La scarica interessa tutta la lunghezza del filo e viene interrotta interrompendo HV Regione Geiger. La scarica interessa tutta la lunghezza del filo e viene interrotta interrompendo HV

18 4) Tipi di rivelatori a gas ed esperimenti che gli usano

19 Multiwire Proportional Chambers G. Charpack et al Premio Nobel 1992 Distribuzione delle linee di campo in una MWPC la spaziatura fra gli anodi e` di 2 mm Distribuzione delle linee di campo in una MWPC la spaziatura fra gli anodi e` di 2 mm Le migliori risoluzioni spaziali ottenute sono ~ 100 m Una delle low mass MWPC dellesperimanto FINUDA La coordinata z puo` essere determinata in vari modi: divisione di carica (fili resistivi ~ 2K /m) tempo di arrivo alle due estremita` del filo piani incrociati di fili induzione su strisce catodiche segmentate catodo L d Fili anodici traccia y L QAQA QBQB y L = QBQB Q A + Q B

20 Camere a deriva La traccia della particella si ricostruisce attraverso la misura del tempo di deriva rispetto ad un riferimento esterno: x = v d (t) dt La traccia della particella si ricostruisce attraverso la misura del tempo di deriva rispetto ad un riferimento esterno: x = v d (t) dt Con I suoi fili la camera a deriva di KLOE e` la piu` grande finora costruita Con I suoi fili la camera a deriva di KLOE e` la piu` grande finora costruita Regione di deriva a alto campo anodo deriva Regione di deriva a basso campo x scintillatore ritardo start stop TDCTDC Geometria degli straw tube dellesperimento FINUDA Geometria degli straw tube dellesperimento FINUDA Gli straw tubes sono camere a deriva cilindriche moncanale. Per ottenere Informazioni sulle diverse coordinate spaziali si possono usare piani I ncrociati di tubi.

21 Time Projection Chamber Le coordinate x-y si ottengono dagli hit sui fili e sul catodo segmentato delle MWPC poste sui piatti, la z dal tempo di drift. Si fanno anche misure di dE/dx Le coordinate x-y si ottengono dagli hit sui fili e sul catodo segmentato delle MWPC poste sui piatti, la z dal tempo di drift. Si fanno anche misure di dE/dx PEP- 4 TPC E` lunico rivelatore a gas che permette di ricostruire le tracce in 3D. Si tratta di un grosso volume di gas separato da un setto a potenziale negativo. Le cariche create dalla ionizzazione migrano verso i piatti terminali che sono segmentati ed equipaggiati con MWPC. Novita`principale: campo elettrico e campo magnetico paralleli si riduce enormemente il fenomeno della diffusione. E` lunico rivelatore a gas che permette di ricostruire le tracce in 3D. Si tratta di un grosso volume di gas separato da un setto a potenziale negativo. Le cariche create dalla ionizzazione migrano verso i piatti terminali che sono segmentati ed equipaggiati con MWPC. Novita`principale: campo elettrico e campo magnetico paralleli si riduce enormemente il fenomeno della diffusione. Elettrodo negativo Occorre cononscere con precisione la velocita` di deriva Problemi di deriva degli ioni negativi gas con alta purezza (no impurita` el. neg.) controlli precisi di pressione e temperatura Vg 150 V

22 Identificazione

23 Esperimento ALEPH e + e - si no Ricostruzione dellevento e + e si e + e - q q si no 1 cm -1cm+1cm

24 5) Presentazione generale del progetto: apparato sperimentale, lelettronica associata e lacquisizione dei dati sul computer

25 6) Particelle da rivelare: raggi cosmici

26 I raggi cosmici sono stati scoperti da Victor Hess, Universita di Vienna, (Nobel 1936) in 1912 in unesperimento con un elettroscopio lanciato a 5 km di altezza in un pallone I raggi cosmici primari sono delle particelle cariche (soprattutto protoni) di alta ed altissima energia.

27 Allarrivo nell atmosfera terestre (che ci protegge) interagiscono con le molecolle e gli atomi dellatmosfera creando le cosiddette cascate di particelle secondarie. Al livello del suolo arrivano queste particelle secondarie (soprattutto dei muoni) – vedi figura che segue.

28 Cascata prodotta da un raggio cosmico primario allarrivo nellatmosfera terestre

29 Lorigine dei raggi cosmici: provengono dalla nostra Galassia: - il sistema solare (il sole); - altre stelle; - esplosioni di supernovae (remnants); - altri sorgenti piu esotiche: stelle di neutroni; bucchi neri….. - lo spazio interstellare (anomalous cosmic rays)

30 Il loro studio e importante e ci sono tanti esperimenti fatti apposta per studiarle, perche offrono unopportunita unica per lo studio di particelle in un range di energia non ancora accessibile sulla Terra, nonche per capire meglio la loro origine, quindi per studi di Astrofisica e Cosmologia. Inoltre vengono usati per la calibrazione di vari rivelatori.

31 Quanti ci sono? Flusso dei raggi cosmici (soprattutto muoni) al livello del suolo e: 1 raggio cosmico/min/cm 2 (vuol per esempio dire che mentre dormiamo siamo attraversati da un millione di particelle cosmiche) Per quel che riguarda il nostro studio ci interessa anche la distribuzione angulare: va come cos 2 (angolo con la verticale)

32 Per alcuni esperimenti che studiano eventi molto rari i raggi cosmici sono fastidiosi. Serve eliminarli: - attraverso il trigger; - facendo degli esperimenti sotto-suolo: Gran Sasso, vedi figura.

33 Underground Laboratories Gran Sasso Evento raro

34 7) Progetto per le misure da effetuare nel laboratorio il 17 Settembre

35 Misure da effettuare nel Laboratorio noi vi proponiamo: 1.Visualizazione dei segnali di uscita con loscilloscopio e calcolo dellampiezza del segnale; 2.Lo studio della variazione del segnale con la tensione di alimentazione e la miscella di gas; 3.Calcolo del flusso di particelle rivelate in coincidenza dalle tre camerette e comparazione col flusso di raggi cosmici notto (lefficienza delle camerette); 4.La distribuzione angolare dei raggi cosmici; 5.Lo studio dello schermaggio dei raggi cosmici con lastre di piombo;

36 Misure da effettuare nel Laboratorio se ce tempo 1.Misura delle particelle provenienti da una sorgente: la dipendenza delle distanza fra la sorgente e il rivelatore; 2.Le vostre proposte….

37 Bibliografia W. Blum, L. Rolandi, Particle detection with drift chambers, Springer Verlag, K. Kleinknecht, Detectors for particle radiation, 2nd edition, Cambridge University press 1998 W.R. Leo, Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments, 2nd edition, Springer 1994 Libri di Testo Articoli di rassegna Review of Particle Physics, (Eur. Phys. Jou. C, Vol. 15 N.1- 4, 2000) The Particle Detector Briefbook, TERA foundation home page u Altre fonti Experimental techniques in high energy physics, T. Ferbel (editor), World Scientific 1991 Instrumentation in High Energy Physics, F. Sauli (editor), World Scientific 1992


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