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1 Rivelatori di Particelle a.a. 2010-2011 Marisa Valdata Da semplici ideeAd apparati complicati.

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1 1 Rivelatori di Particelle a.a Marisa Valdata Da semplici ideeAd apparati complicati

2 2 Lezione 1. Programma Programma Bibliografia Bibliografia Introduzione Introduzione

3 3 PROGRAMMA Introduzione Cenni su acceleratori di particelle e fasci estratti Interazione delle particelle con la materia –Perdita di energia per ionizzazione –Scattering multiplo –Lunghezza di radiazione –Sciami elettromagnetici –Radiazione Cerenkov e di transizione Rivelatori di particelle –Rivelatori di posizione e tracciamento a gas e di silicio –Scintillatori organici ed inorganici,fotomoltiplicatori, fibre scintillanti –Calorimetria: calorimetri omogenei ed a sampling. –Identificazione di particelle: misure di dE/dx, tempi di volo, rivelatori Cerenkov, rivelatori di radiazione di transizione. Radiazioni ionizzanti: dosimetria, radioprotezione ed applicazioni mediche

4 4 BIBLIOGRAFIA TESTI C. Grupen,Particle Detectors, Cambridge University Press, 1996 R. Fernow, Introduction to Experimental Particle Physics,Cambridge University Press, 1992 W.R.Leo, Tecniques for Nuclear and Particle Physics Experiments, Springer Verlang, 1994

5 5 BIBLIOGRAFIA …… Altri utili testi: Dan Green, The Physics of Particle Detectors, Cambridge University Press,2000 Konrad Kleinknecht, Detectors for Particle Radiation, Cambridge U.K. Blum & Rolandi, Particle Detection with Drift Chambers, Springer Verlang, 1994

6 6 BIBLIOGRAFIA …… ARTICOLI DI RIVISTA: Experimental Tecniques in High Energy Physics, T.Ferbel (editore),World Scientific, 1991 Instrumentation in High Energy Physics, F.Sauli (Editore), World Scientific, 1992 ALTRI: Particle data Book (Phys. Rev. D) R. Bock, a. Vasilescu, Particle Data Briefbook Proceedings di conferenze sugli apparati (Vienna VCI, Elba, IEEE) Introduction to radiation detectors and electronics (Helmut Spieler, Lecture Notes – Physics 198,Spring semester UC Berkeley)

7 7 Il piu vecchio rivelatore (di fotoni)… Alta sensibilità ai fotoni Buona risoluzione spaziale Range dinamico molto largo (1:10 14 ) + adattamento automatico della soglia Discriminazione in energia (lunghezza donda) Piuttosto lento (velocità di acquisizione +analisi ~10 Hz)

8 8 Lastre fotografiche

9 9 Tubo a raggi catodici

10 10 Tubo a raggi catodici

11 11

12 12

13 13 Progresso…..

14 14 Un decadimento W + W - in Aleph

15 15 Un evento simulato in ATLAS (CMS) H ZZ 4µ

16 16 Introduzione La reazione e + e - Z o qq: Conosciamo le particelle interagenti (e + e - ) ACCELERATORI Per ricostruire la reazione e le proprietà delle particelle coinvolte la massima informazione sui prodotti finali (gli unici a noi accessibili) APPARATI SPERIMENTALI

17 17 Introduzione Acceleratori: Accelerano particelle stabili (elettroni, positroni, protoni, antiprotoni)Accelerano particelle stabili (elettroni, positroni, protoni, antiprotoni) PS, AGS, SPS …. Anelli di Collisione (Colliders): Siamo nel c.m.: le particelle collidono fra loro LEP, LHC, Tevatron, PEPII.Siamo nel c.m.: le particelle collidono fra loro LEP, LHC, Tevatron, PEPII.

18 18 Introduzione Apparati Sperimentali. Particelle incidenti: Elettroni,positroniElettroni,positroni Protoni, antiprotoniProtoni, antiprotoni Protoni protoniProtoni protoni Elettroni, protoniElettroni, protoni Prodotti finali: Particelle caricheParticelle cariche Particelle neutreParticelle neutre FotoniFotoni neutrinineutrini Esempio Collider Copertura di tutto langolo solido senza buchi e altamente segmentato Misura dellimpulso e/o energia Identificazione delle particelle finali Rapido (senza tempo morto) Le particelle sono rivelate tramite le loro interazioni con la materia. Diversi processi fisici coinvolti (essenzialmente elettromagnetici) ionizzazioneeccitazione Osserviamo la ionizzazione e leccitazione della materia

19 19 Definizioni ed unita L Energia è definita come: E 2 =p 2 c 2 +m o 2 c 4 Energia E ; si misura in eV (e suoi multipli KeV, MeV, GeV, TeV)Energia E ; si misura in eV (e suoi multipli KeV, MeV, GeV, TeV) Impulso p : si misura in eV/c (e suoi multipli)Impulso p : si misura in eV/c (e suoi multipli) Massa a riposo m o : si misura in eV/c 2Massa a riposo m o : si misura in eV/c 2 LeV corrisponde allenergia ΔU guadagnata da un elettrone posto in una d.d.p. ΔV=1V

20 20 Definizioni ed unita MasseMasse –Elettrone (e) ~ 0.5 MeV –Muone ( )~105 Mev –Pione ( )~140 MeV –Protone e neutrone (p,n)~938 MeV –Fotone e neutrino(, )~0. MeV LunghezzeLunghezze –1 μm (10 -6 m)-risoluzione spaziale degli apparati –1 nm (10 -9 m)-lunghezza donda del verde (~500nm) –1 Å ( m)- dimensioni dellatomo –1 f ( m)-dimensioni del nucleo TempiTempi –1μs (10 -6 s) deriva di 5 cm di un e in un gas (camere a a deriva –1 ns (10 -9 s) un fotone fa 30 cm in 1 ns (nel vuoto) –1 ps ( s)vita media di un mesone B

21 21 Definizioni ed unita Spesso si usa: : In tali unità: [E] = [p] = [m] = [t -1 ] = [x -1 ] = eV Per passare dalle unità adimensionali a quelle dimensionali dobbiamo conoscere: c=3x10 8 m/s h=6.62x J sla velocita della luce c=3x10 8 m/s e la costante di Plank h=6.62x J s (h/2 )c ~ 0.2 GeV f ~ 2000 eV Å (h/2 )c ~ 0.2 GeV f ~ 2000 eV Å___________________________________________________________________________ x· (pc) = (h/2 ) c Ricordando il principio dindeterminazione x· (pc) = (h/2 ) c Per risolvere le dimensioni di un atomo (~Å m) servono energie ~KeV Per vedere dentro un nucleo ( ~ f m) dobbiamo avere energie 200 MeV Per distinguere i costituenti di un protone servono energie ~ GeV

22 22 Cinematica relativistica Formule base: Valide anche nel caso non relativistico ~ 1+1/2 2 K=1/2 mv 2 (per quanto riguarda lenergia cinetica e la quantità di moto) Energie (impulsi) sono classificati come segue: 1non relativistico 1non relativistico relativistico relativistico 1ultrarelativistico (in questo caso K~E) 1ultrarelativistico (in questo caso K~E)

23 23 Cinematica relativistica Lenergia e limpulso di una particella formano un quadrivettore p = (E,p). L energia E* e limpulso p* di una particella massa m viste da un sistema di riferimento con velocità sono:

24 24 Cinematica relativistica In una collisione di 2 particelle di massa m 1 ed m 2 lenergia totale nel c.m. e espressa dallinvariante di Lorentz: Dove è langolo formato fra le due particelle. Nel sistema in cui m 2 è ferma (sistema del laboratorio) avremo: Le variabili del laboratorio rispetto al c.m. sono:

25 25 Particelle ed Interazioni La fisica subnucleare studia i costituenti della materia ( partoni e leptoni) e cerca di capire le interazioni cui sono soggetti Interazioni forti (forza relativa a ~ cm ~1 ) Interazioni forti (forza relativa a ~ cm ~1 ) Interazioni e.m.( ~10 -2 ) Interazioni e.m.( ~10 -2 ) Interazioni deboli( ~10 -5 ) Interazioni deboli( ~10 -5 ) Interazioni gravitazionali( ~ ) Interazioni gravitazionali( ~ ) La forza gravitazionale è irrilevante in quanto m p = 938 MeV = 1.67x kg. È comunque a lungo raggio. La forza debole (responsabile dei decadimenti radioattivi e delle interazioni di neutrini è poco utile per i rivelatori. È a corto raggio. La forza forte è quella che tiene assieme i protoni (e neutroni) nel nucleo. È utilizzata solo nei Calorimetri Adronici. Anche questa forza è a corto raggio. La forza e.m., non è altro che la forza coulombiana. È a lungo raggio e quindi, nel caso di particelle cariche domina a grandi distanze fino a ~ 1 f ( a piccole distanze domina la forza forte). Quest ultima è fondamentale per i rivelatori Interazione Radiazione Materia dominata da processi e.m.

26 26 Le particelle possono essere classificate tramite le forze cui sono soggette. leptoni ( e )nonforteI leptoni ( e ) non sono soggetti alla forza forte. Non hanno struttura interna sono puntiformi. adroniforte barioni mesoniGli adroni sentono la forza forte e sono suddivisi in barioni (spin semintero) e mesoni (spin intero). Gli adroni hanno una struttura interna (quark). Ogni particella ha la sua antiparticella con la stessa massa e spin, ma carica ed altri numeri quantici interni opposti. Bosoni di GaugeEsistono anche i Bosoni di Gauge (mediatori delle interazioni). Hanno spin intero. –Interazione e.m. –Interazione e.m. –Interazione forte g –Interazione deboleZ 0,W ± Particelle ed Interazioni

27 27 Particelle ed interazioni La ricerca sperimentale studia La ricerca sperimentale studia: sezione durtoDiffusione di particelle sezione durto vita mediaSpettroscopia e decadimenti vita media sezione durtoProduzione di particelle sezione durto Vita media: Vita media: Se la particella instabile si muove il percorso che farà prima di morire è: Il numero di particelle che decadono in dx è proporzionale al numero di particelle N(x) che si hanno ad x ed al percorso dx. Distribuzione esponenziale con pendenza d (lunghezza di decadimento)

28 28 Particelle ed interazioni Sezione durto La è usata per esprimere la probabilità di interazione fra particelle elementari. Se giocamo al tiro al bersaglio, il parametro che ci interessa è la dimensione del bersaglio (targhetta) ovvero larea che il fascio di freccette vede. Analogamente se spariamo un fascio di elettroni in un bidone di idrogeno (che non è altro che un insieme di protoni) il parametro che ci interessa è la dimensione del protone, ovvero larea che il protone mostra al fascio incidente.Però il protone non ha una sezione ben definita, ma più vicino ci andiamo maggiore è la probabilità dinterazione. Inoltre la sezione durto dipende dalla natura del proiettile oltre che dalla struttura del bergaglio. Gli elettroni sono diffusi più dei neutrini e meno dei protoni (interazioni diverse). –Sezione durto elastica ( ) –Sezione durto elastica ( Se lenergia è bassa avremo solo e+p e+p ) –Sezione durto anelastica ( ) –Sezione durto anelastica ( Se lenergia è sufficiente possiamo avere e+p e+p+ o anche e+p e+p+ etc ) Ipotesi semplicistica 1/v ( più a lungo sto vicino al protone più alta è la probabilità dinterazione), ma risonanze (stato quasi legato) e più grande. Dimensioni area. Unità di misura 1 barn (b) = cm 2 Per impulso nel lab. di 10 GeV/c si ha: t ( + p ) ~ 25 mb(forte) t ( + p ) ~ 25 mb(forte) t ( p ) ~ 100 b(e.m.) t ( p ) ~ 100 b(e.m.) t ( p ) ~ 0.1 pb(debole) t ( p ) ~ 0.1 pb(debole)

29 29 Sezioni durto Per avere la T si integra su tutto langolo solido.

30 30 Sezione durto Esempio numerico: - p 0 nEsempio numerico: - p 0 n –10 7 particelle incidenti a burst ( impulso dellacceleratore) –1 burst ogni 10 s –8 giorni di presa dati –Targhetta di Be ( =1.8 gr/cm 3 ) l=10 cm –Dati raccolti 7.49x10 10 T =(N rac /N fascio )x(1/n A )(N rac =7.49x10 10 N fascio =69120x10 7) n A = lN A (Z/A)(numero di protoni nella targhetta) T = (7.49x10 10 )/(69120x10 7 x48.18x10 23 )~2.25x cm 2 =22.5 mb T = (7.49x10 10 )/(69120x10 7 x48.18x10 23 )~2.25x cm 2 =22.5 mb

31 31 Sezione durto


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