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Tesi di Laurea Studio delle riessioni multiple di protoni ultrarelativistici in deettori cristallini Relatore: Laureando: Dott. Giovanni Ambrosi Matteo.

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1 Tesi di Laurea Studio delle riessioni multiple di protoni ultrarelativistici in deettori cristallini Relatore: Laureando: Dott. Giovanni Ambrosi Matteo Duranti Università degli Studi di Perugia Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali Corso di Laurea Specialistica in Fisica

2 12/09/2008 Matteo Duranti Sommario Nel corso di questa presentazione parleremo di: - problemi di collimazione per il LHC - fenomenologia di channeling e volume reflection per particelle cariche in materiali cristallini - applicazione dei fenomeni fisici nella fisica delle alte energie - collaborazione H8RD22 - MQM7: deflettore multi-cristallo a controllo remoto - analisi dei dati sperimentali

3 12/09/2008 Matteo Duranti Collimazione Al LHC verranno fatti collidere fasci di protoni di 7 TeV/c e fasci di ioni Piombo di 574TeV/c. Uno dei problemi tecnologici più rilevanti per il raggiungimento delle prestazioni nominali riguarda il sistema di collimazione:

4 12/09/2008 Matteo Duranti Pulizia necessaria ad LHC Energia [GeV]Tasso di perdita (10 ore di vita media) [p/s] Limite di Quenching [p/s·m] Richiesta di pulizia 450 (SPS)8.4 · · % 7000 (LHC)8.4 · · % R. Assman e W. Scandale, da un seminario per ALICE (Aprile 2007)

5 12/09/2008 Matteo Duranti Collimazione con cristalli Tradizionale: Materiale amorfo, deflessione casuale Assorbitori di materiale amorfo deflessioni casuali dellalone difficoltà nel posizionamento degli assorbitori secondari Effetti direzionali: Proposta: Materiale cristallino deflessione controllata

6 12/09/2008 Matteo Duranti Potenziale Reticolare In un un materiale cristallino il campo medio coulombiano tra due piani reticolari può essere approssimato con un canale parabolico: Lenergia potenziale per una particella carica positivamente allinterno del canale può essere scritto come:

7 12/09/2008 Matteo Duranti Channeling: angolo critico Una particella incidente con un piccolo angolo rispetto agli assi di simmetria del cristallo può essere confinata tra due piani cristallini Le condizioni cinematiche per il confinamento dipendono dal momento trasverso e dall'altezza della buca di potenziale: In Si, W, Ge: Angolo critico di Lindhard

8 12/09/2008 Matteo Duranti Channeling Il moto risultante è la composizione di un moto longitudinale e di un moto oscillatorio. Per la parte oscillatoria:

9 12/09/2008 Matteo Duranti Cristallo curvato L'idea di Tsyganov ('70) L Utilizzo di cristalli curvati come deflettori, con angolo di deflessione: Con un campo magnetico (per particelle di 400 GeV/c e L=400μm):

10 12/09/2008 Matteo Duranti Volume reflection Langolo di deflessione è: Per una particella proveniente dalla direzione di convessità del cristallo: Laccettanza angolare è: L

11 12/09/2008 Matteo Duranti Estrazione/Separazione di fasci Tecnica di estrazione tramite cristalli curvati:

12 12/09/2008 Matteo Duranti Estrazione di fasci - IHEP All acceleratore U-70 dellIHEP di Protvino, con fasci di protoni di 70 GeV/c, verifica sperimentale della teoria per: 1) Efficienza di estrazione in funzione della lunghezza del cristallo 2) Efficienza di estrazione in funzione dellenergia del fascio

13 12/09/2008 Matteo Duranti Estrazione di fasci - CERN Proporzionale allefficienza di estrazione in funzione dellorientazione del cristallo per fasci di ioni Pb di 22 TeV (270GeV per nucleone carico)

14 12/09/2008 Matteo Duranti Separazione di fasci – NA48 Misura dei parametri della violazione CP nel sistema dei kaoni neutri tramite il doppio rapporto di decadimento: Inserimento di un fascio attenuato di protoni nella linea dei K L per la produzione dei K S Riduzione del fascio ~ Emittanza del fascio ben definita in entrambe i piani

15 12/09/2008 Matteo Duranti La collaborazione H8RD22 Lo scopo della collaborazione è la misura di precisione delle grandezze fisiche collegate ai fenomeni di channeling e volume reflection (angolo di deflessione, accettanza angolare, efficienza) Per la prima volta: - Misura delleffettivo angolo di deflessione (telescopi in ingresso ed uscita) - Tracciamento di singola particella con rivelatori al silicio di alta risoluzione spaziale (O(10μm)) - Goniometro di elevata risoluzione angolare (~ 1μrad)

16 12/09/2008 Matteo Duranti Setup per ioni Riproduzione delle elevate condizioni di ionizzazione tramite lutilizzo di un fascio laser di elevata intensità MIP: lato-p lato-n 3500 MIP: lato-p lato-n

17 12/09/2008 Matteo Duranti (Mini) Sommario - dispositivi con cristalli curvati - procedura di analisi dati - prestazioni di un multi-deflettore con cristalli non allineati - prestazioni con cristalli allineati - prestazione come possibile collimatore

18 12/09/2008 Matteo Duranti Dispositivi Strip Quasi-mosaico Piegatura del cristallo macroscopica Piegatura microscopica di precisione (forze anticlastiche)

19 12/09/2008 Matteo Duranti Multi-cristalli Aumento della deflessione angolare tramite più cristalli in sequenza: Angolo di deflessione: Efficienza di deflessione: MQM7

20 12/09/2008 Matteo Duranti Principio della misura Setup sperimentale per la presa dati di Novembre 2007:

21 12/09/2008 Matteo Duranti Allineamento Laser Allineamento laser del cristallo con precisione di ~ 300 μrad: Il pentaprisma riflette la luce del laser in una direzione ortogonale a quella di incidenza

22 12/09/2008 Matteo Duranti Scan angolare veloce Ricerca della zona di incidenza angolare per la quale sono presenti gli effetti fisici di deflessione 1μrad

23 12/09/2008 Matteo Duranti Scansione angolare

24 12/09/2008 Matteo Duranti Cristalli non allineati Scansione angolare di 10μrad:

25 12/09/2008 Matteo Duranti Non allineati - VR Sezioni di 2.5μrad: - per lefficienza: tracce deflesse allinterno di 3σ intorno al valore medio -la bontà del fit è controllata tramite la larghezza delle gaussiane θ 1,2 [μrad] 21.3±(0.2) st θ 3 [μrad] 12.33±(0.09) st θ 4 [μrad] 10.77±(0.06) st θ 5 [μrad] 12.26±(0.08) st

26 12/09/2008 Matteo Duranti Non allineati - Channeling Sezioni di 5μrad: - la deflessione è misurata allangolo del goniometro per cui si ha massima efficienza θ 1 [μrad]-114.4±(0.9) st θ 2 [μrad]-100.4±(0.9) st θ 3 [μrad]-108.9±(1.0) st θ 4 [μrad]- 96.9±(0.8) st θ 5 [μrad]- 91.5±(0.9) st

27 12/09/2008 Matteo Duranti Cristalli allineati Scansione angolare di 5μrad:

28 12/09/2008 Matteo Duranti Uniformità e Torsione Muovendosi lungo il profilo del fascio:

29 12/09/2008 Matteo Duranti Uniformità e Torsione Muovendosi lungo il profilo del fascio:

30 12/09/2008 Matteo Duranti Cristalli allineati Scansione angolare di 5μrad:

31 12/09/2008 Matteo Duranti Allineati - VR Sezioni di 2.5μrad: - deflessione del dispositivo per volume reflection: μrad ( ) μrad - in un intervallo angolare di incidenza di ~ 40μrad si ha un efficienza di deflessione > 90%

32 12/09/2008 Matteo Duranti Collimazione

33 12/09/2008 Matteo Duranti Collimazione

34 12/09/2008 Matteo Duranti Collimazione tradizionale: channeling: volume reflection: multi volume reflection: Assorbitori di materiale amorfo deflessioni casuali dellalone difficoltà nel posizionamento degli assorbitori secondari

35 12/09/2008 Matteo Duranti Conclusioni In questo lavoro di tesi: preparazione del set-up per misure con ioni Pb partecipazione allinstallazione e presa dati dei run di Maggio e Novembre 2007 analisi dati per il deflettore multicristallo MQM7: conferma delle caratteristiche degli effetti di channeling e volume reflection per singoli cristalli misura di precisione degli effetti di volume reflection per un deflettore multicristallo: θ v =51.74 μrad ed efficienza > 90% in un intervallo di 40μrad prestazione di un deflettore multicristallo come elemento base di un eventuale sistema di collimazione alcuni risultati di questa analisi sono parte integrante di un articolo della collaborazione H8RD22 sottomesso per la pubblicazione a PRL

36 12/09/2008 Matteo Duranti Fascio Profili del fascio nelle due coordinate trasverse: Angolo di incidenza nel cristallo:

37 12/09/2008 Matteo Duranti Dechanneling - Volume Capture dechanneling / feed-in volume capture

38 12/09/2008 Matteo Duranti Volume reflection Con un campo magnetico (per particelle di 400 GeV/c e L=400μm): Langolo di deflessione è:


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