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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. 2010-2011 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 http://www.cern.ch/Physics/ParticleDetector/Briefbook http://www.cern.ch/Physics/ParticleDetector/Briefbook Proceedings di conferenze sugli apparati (Vienna VCI, Elba, IEEE) Introduction to radiation detectors and electronics (Helmut Spieler, Lecture Notes – Physics 198,Spring semester 1999- UC Berkeley) http://www-physics.lbl.gov/~spieler/physics_198_notes_1999/index.html

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 (10 -10 m)- dimensioni dellatomo –1 f (10 -15 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 (10 -12 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=6.62x10 -34 J sla velocita della luce c=3x10 8 m/s e la costante di Plank h=6.62x10 -34 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 10 -10 m) servono energie ~KeV Per vedere dentro un nucleo ( ~ f 10 -15 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 ~10 -18 cm ~1 ) Interazioni forti (forza relativa a ~10 -18 cm ~1 ) Interazioni e.m.( ~10 -2 ) Interazioni e.m.( ~10 -2 ) Interazioni deboli( ~10 -5 ) Interazioni deboli( ~10 -5 ) Interazioni gravitazionali( ~10 -39 ) Interazioni gravitazionali( ~10 -39 ) La forza gravitazionale è irrilevante in quanto m p = 938 MeV = 1.67x10 -27 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) =10 -24 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 )~2.25x10 -26 cm 2 =22.5 mb T = (7.49x10 10 )/(69120x10 7 x48.18x10 23 )~2.25x10 -26 cm 2 =22.5 mb

31 31 Sezione durto


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