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Hands on Physics Acceleratori e rivelatori di particelle dott. Francesco Perfetto Università degli Stud di Napoli Federico II & INFN Napoli, 14 Febbraio.

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Presentazione sul tema: "Hands on Physics Acceleratori e rivelatori di particelle dott. Francesco Perfetto Università degli Stud di Napoli Federico II & INFN Napoli, 14 Febbraio."— Transcript della presentazione:

1 Hands on Physics Acceleratori e rivelatori di particelle dott. Francesco Perfetto Università degli Stud di Napoli Federico II & INFN Napoli, 14 Febbraio 2012

2 Introduzione Acceleratori –Perché gli acceleratori ? –Generazione delle particelle –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 ? F. Perfetto 14 Febbraio 2012

3 F. Perfetto Premessa Qual e il rivelatore più familiare ? Locchio umano è un rivelatore di particelle: i fotoni 14 Febbraio 2012

4 F. Perfetto Premessa Altri modi per vedere ? Es.: per sottrazioneEs.: infrarossi 14 Febbraio 2012

5 F. Perfetto Premessa... altri modi per vedere Perché si usano i raggi X e gli ultrasuoni e non la luce ed il suono normali per illuminare ? Luce energetica (raggi X) Ultrasuoni 14 Febbraio 2012

6 Noi vediamo la materia subatomica perché la colpiamo con particelle prodotte dagli acceleratori che rimbalzano sui rivelatori Premessa 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

7 Dal modo in cui rimbalzano riusciamo a capire molte caratteristiche delle particelle Esempio 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

8 Ernest Rutherford 1909 Esperimento di Rutherford 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

9 Arghhh !!! Sottotitolo: Un pizzico di Meccanica Quantistica Una particella si comporta anche come unonda (cioè come la luce): la sua lunghezza donda è tanto più piccola quanto più è grande la sua energia. Lunghezza donda piccola = capacità di infilarsi in spazi piccoli = possibilità di esplorare cose piccole più è microscopico il mondo che vogliamo esplorare, più deve essere grande lenergia delle particelle che usiamo per osservarlo 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

10 Perché alte energie ? La luce si comporta anche come un insieme di corpuscoli di energia E = hν Le particelle si comportano anche come onde di frequenza ν = E/h FATTI SPERIMENTALI λ=c/ν= hc/E se E cresce λ diminuisce Per esplorare linfinitamente piccolo E deve diventare molto grande h = J s { 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

11 11 Definizione eV 1 eV è lenergia cinetica acquistata da un elettrone sottoposto ad una differenza di potenziale di 1 Volt 1 eV rappresenta unenergia molto piccola Lampadina da 100 W accesa per 1 ora joules joules joules Auto da corsa v = 370 km/h Caldaia kcal in funzione per un ora eV eV eV 1 eV = 1V C = joules eV = TeV 10 9 eV = GeV 10 6 eV = MeV 10 3 eV = keV 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

12 La TeV-ape joulesm ape = kg v ape = 0.05 ms -1 Consideriamo unape che vola percorrendo 50 cm ogni 10 secondi K =.78 TeV Ha senso spendere miliardi di euro per costruire LHC ??? Assumiamo che la TeV-ape sia fatta al 100% di 6 12 C N a = N atomi /mole N atomi = mN a /peso atomico = N nucleoni = I protoni accelerati in LHC dovrebbero arrivare fino a 7 Tev 14 Febbraio 2012

13 F. Perfetto 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 = 10 MeV) 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 14 Febbraio 2012

14 F. Perfetto Generazione di particelle Lesempio più semplice di generatore di elettroni è un filamento caldo, come quello di una lampadina Gli elettroni sono estratti dal catodo e, viaggiando verso lanodo positivo, acquistano unenergia uguale alla loro carica moltiplicata per la differenza di potenziale applicata tra catodo e anodo I protoni sono il nucleo dellatomo di idrogeno. Applicando la differenza di potenziale al gas di idrogeno si accelerano i protoni La differenza di potenziale tra due elettrodi viene usata per accelerare le particelle. Lenergia massima raggiungibile è data dal limite di tensione oltre il quale si possono avere scariche elettriche ΔE qΔV 14 Febbraio 2012

15 F. Perfetto Come le facciamo muovere? La forza di Lorentz descrive il moto di una particella in un acceleratore CURVATURA E FOCHEGGIAMENTO ACCELERAZIONE { { 14 Febbraio 2012

16 F. Perfetto Come le facciamo muovere? 14 Febbraio 2012 SN Campi elettrici per accelerare Campi magnetici per curvare Impulso maggiore Impulso minore Carica opposta V E=100 eV

17 F. Perfetto Acceleratori Esistono diversi tipi di acceleratori: Lineari Circolari 14 Febbraio 2012

18 F. Perfetto Come funziona un acceleratore? 14 Febbraio 2012

19 F. Perfetto Tipologie di acceleratori Vantaggi: Le particelle attraversano più volte la stessa cavità. Ad ogni giro tali pacchetti acquistano energia grazie al campo elettrico accelerante (a radiofrequenza) Svantaggio: perdono energia a causa della RADIAZIONE DI SINCROTRONE EMESSA (a sua volta costituisce una sonda utilizzata in vari campi) nei magneti curvanti. Circolari Una particella carica che viaggia lungo una traiettoria curva perde energia 14 Febbraio 2012

20 F. Perfetto Come funziona un acceleratore? Qual è lacceleratore più comune? Il Televisore !!!!!!! E = eV 14 Febbraio 2012

21 Modo di utilizzo Bersaglio fisso Esperimento di Rutherford Rivelatori Acceleratore F. Perfetto 14 Febbraio 2012

22 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 F. Perfetto 14 Febbraio 2012

23 F. Perfetto 14 Febbraio 2012

24 10 Febbraio 2010 LHC al CERN (dal 2008) Il collisore protone-protone a più alta energia: GeV 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

25 LHC è l'acceleratore di particelle più grande e potente mai realizzato dall'uomo, progettato per far collidere protoni ad un'energia nel centro di massa di 14 TeV, mai raggiunta fino ad ora in laboratorio. I componenti più importanti del LHC sono gli oltre 1600 magneti superconduttori raffreddati alla temperatura di 1.9 K (- 271,25 °C) da elio liquido superfluido che realizzeranno un campo magnetico di circa 8 Tesla, necessario a mantenere in orbita i protoni all'energia prevista. Il sistema criogenico di LHC è il più grande che esista al mondo oltre ad essere il luogo massivo più freddo dell'universo. LHC : The Large Hadron Collider 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

26 Rivelatori Bene, abbiamo fatto sbattere due particelle. E ora? Posizione e direzione del moto Carica elettrica Energia Impulso Massa Tempi di vita …viene fuori un sacco di roba. Cosa ci interessa misurare? 14 Febbraio 2012

27 F. Perfetto Rivelatori di particelle Nella fisica sperimentale, un rivelatore di particelle o rivelatore di radiazione è uno strumento usato per rivelare, tracciare e identificare particelle. (Wikipedia) elettronica di lettura area attiva I rivelatori di particelle sono strumenti che producono un segnale osservabile quando vengono colpiti da una particella. Sono solitamente costituiti da un elemento attivo (con cui interagisce la radiazione) e da un sistema di lettura (che forma il segnale e lo invia allacquisizione dati) 14 Febbraio 2012

28 F. Perfetto Rivelare le particelle –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 Tutte le particelle, attraversando la materia, perdono una parte della loro energia. 14 Febbraio 2012

29 F. Perfetto 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. 14 Febbraio 2012

30 F. Perfetto Caratteristiche dei rivelatori Sensibiltà: capacità di produrre un segnale utile per un certo tipo di radiazione e di energia. Nessun rivelatore può essere sensibile a tutti i tipi di radiazione. Ogni rivelatore è progettato per essere sensibile ad un tipo di radiazione in un certo intervallo di energia. Risposta: tipo di segnale utile prodotto. Spesso il segnale prodotto da un rivelatore è un impulso di corrente la cui ampiezza è proporzionale allenergia rilasciata dalla particella. Risoluzione: differenza minima di una grandezza fisica misurata (es. energia) necessaria perché il rivelatore possa distinguere due misure vicine. Si esprime in termini di deviazione standard della distribuzione della grandezza misurata. Es.: Risoluzione spaziale. E la distanza minima alla quale un rivelatore distingue il passaggio di due particelle. 14 Febbraio 2012

31 F. Perfetto Caratteristiche dei rivelatori Efficienza: efficienza assoluta: frazione di particelle rivelate dal rivelatore rispetto a quelle emesse dalla sorgente. Efficienza intrinseca: frazione di particelle rivelate dal rivelatore rispetto a quelle che lo colpiscono. Tempo morto: tempo necessario al rivelatore per formare il segnale dopo che è passata la particella. Dipende molto dallelettronica di lettura. Il tempo morto può ridurre lefficienza se il rivelatore non è in grado di rivelare una particella perchè ancora impegnato a processare levento precedente. Questo fenomeno aumenta quanto più è elevata la frequenza di arrivo delle particelle. 14 Febbraio 2012

32 F. Perfetto 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 14 Febbraio 2012

33 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 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

34 Un sistema di tracciatura determina la traiettoria della Particella Rivela solo particelle cariche. Se immerso in un campo magnetico B si riescono a determinare anche la carica Q ed il momento P La particella subisce una minima perdita denergia nel sistema Sistema calorimetrico Rivelatori 2 famiglie fondamentali: tracciatori e calorimetri 14 Febbraio 2012 F. Perfetto Un sistema calorimetrico determina lenergia della particella La particella viene completamente assorbita A differenza di sistemi di tracciatura può rivelare anche particelle neutre (fotoni, neutroni)

35 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 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

36 Camere a filo Prof. Charpak Premio Nobel del 1992 per linvenzione delle camere a multifilo (1968) Camera a fili di KLOE 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

37 Esistono 2 tipi di calorimetri: Calorimetri Elettromagnetici (rivelazione di elettroni, positroni e fotoni) Calorimetri Adronici (rivelazione di adroni carichi e neutri: p,n,π,K) Calorimetri Un calorimetro è un rivelatore di particelle che misura lenergia di una particella La particella interagendo con il calorimetro crea uno sciame e viene completamente assorbita Il segnale prodotto è proporzionale allenergia della particella: S = kE calorimetro particella incidente 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

38 Esperimento ai collider Struttura a cipolla Tracciatori Calorimetro per elettroni e fotoni Calorimetro per adroni Tracciatori per muoni Magneti per curvare 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

39 Esperimento ai collider 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

40 Esperimento ai collider 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

41 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! 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

42 7000 tonnellate di peso La torre Eiffel pesa tonnellate 3000 km di cavi Coprono la distanza Napoli Parigi e ritorno 100 milioni di canali di elettronica per la raccolta dei dati Lesperimento ATLAS 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

43 Partecipazione Italiana 12 sezioni INFN 172 Scientific Authors 10 % circa della collaborazione la maggiore comunità europea I numeri: 35 Nazioni 164 Instituti di Ricerca 1800 people circa Lesperimento ATLAS 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

44 Prof. Higgs 2008 Leperimento ATLAS 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

45 Prof. Hawking 2008 Lesperimento ATLAS 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

46 Angela Merkel 2008 Lesperimento ATLAS 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

47 2008 Lesperimento ATLAS 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

48 Utilizzo di macchine acceleratrici per la cura dei tumori 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

49 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

50 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 14 Febbraio 2012


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