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Physics MasterClasses 2013 RIVELATORI DI PARTICELLE 30/04/2014 1 L. La Rotonda Vediamo le particelle studiando gli effetti che producono attraversando.

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1 Physics MasterClasses 2013 RIVELATORI DI PARTICELLE 30/04/ L. La Rotonda Vediamo le particelle studiando gli effetti che producono attraversando la materia.

2 30/04/2014L. La Rotonda2 Esperimento ATLAS I Rivelatori: Analisi dei dati Esempi di rivelatori (non per LHC ! ) INDICE Cosa misuriamo Tracciatori Calorimetri

3 30/04/2014L. La Rotonda3 Un Esempio di Rivelatore : Camera a Bolle(1950) Il principio di funzionamento si basa sui processi di ionizzazione: Una particella carica che attraversa la materia cede energia ad atomo, un elettrone viene espulso e si crea una coppia elettrone libero-ione positivo La camera contiene un liquido al punto di ebollizione. In corrispondenza degli ioni creati dal passaggio delle particelle cariche si formano delle bolle, che evidenziano la traccia.

4 30/04/2014L. La Rotonda4 La Conservazione dell Impulso Impulso stato iniziale=Impulso stato finale M 1 V 1 = M 2 V 2 + M 3 V 3 M 1 V 1 = M 2 V 2 cosθ + M 3 V 3 cos α (asse X) 0 = M 2 V 2 sinθ - M 3 V 3 sin α (asse Y) Un alto valore di Impulso/Energia mancanti e il primo criterio per selezionare gli eventi : W e/μ + ν L impulso mancante e associato al neutrino.

5 30/04/2014L. La Rotonda5 W τ = s S = c τ = m μ (muone) τ = s S = c τ = 660 m e (elettrone) stabile ν (neutrino) stabile - non lascia traccie – rivelazione indiretta. La maggior parte delle particelle prodotte ad LHC sono instabili. Se non vivono abbastanza per raggiungere i rivelatori vengono individuate dai loro decadimenti. Velocità della luce: c = m/s Vita media ( τ ) = tempo medio che trascorre prima che del decadimento. Cosa misurare per ogni particella ad LHC? (1) W μ/e + ν

6 30/04/2014L. La Rotonda6 Cosa misurare per ogni particella ad LHC?(2) Posizione Direzione del moto Carica Energia/impulso Identificate le particelle e le loro caratteristiche ricostruiamo l evento complessivo. W μ + ν

7 30/04/2014L. La Rotonda7 I Rivelatori in ATLAS CALORIMETRI TRACCIATORI In ATLAS abbiamo 2 tipi di rivelatori:

8 30/04/2014L. La Rotonda8 46m 22m Peso 7000 ton Superficie rivelatori 6000 m 2 I rivelatori sono posti uno dentro laltro intorno al punto dove si scontrano le particelle. ATLAS (1)

9 30/04/2014L. La Rotonda9 Inner Detector (Tracciatore) Ricostruzione tracce – Misura l impulso e carica Calorimetro Elettromagnetico Misura Energia Camere mu (Tracciatore) Ricostruzione tracce - Misura limpulso e carica Calorimetro Adronico Misura Energia ATLAS (2) A partire dallo strato piu interno troviamo in successione:

10 30/04/2014L. La Rotonda10 Calorimetri – Misura dell ENERGIA Misura distruttiva : la particella rilascia tutta la sua energia Calorimetri Elettromagnetici (rivelazione di e -, e +, γ) Calorimetri Adronici (rivelazione di adroni carichi e neutri: p,n,π,K) Calorimetri Elettromagnetici (rivelazione di e -, e +, γ) Calorimetri Adronici (rivelazione di adroni carichi e neutri: p,n,π,K) Strati di materiale denso (assorbitore) alternati a strati di rivelatore. Nell assorbitore si sviluppa lo sciame le particelle perdono energia fin quando sono totalmente assorbite. Misura DISTRUTTIVA

11 30/04/2014L. La Rotonda11 Lo sciame elettromagnetico L insieme di questi processi da luogo alla formazione dello sciame. Ad energia di qualche MeV il processo si interrompe. Subentrano altre interazioni che portano al rapido assorbimento della particella nel calorimetro. Un γ di alta energia interagisce nel mezzo e produce una coppia e + e - ad energia inferiore. Gli elettroni e positroni perdono energia emettendo γ (bremsstrahlung) μ ed adroni perdono solo una frazione di energia nei calorimetri em

12 30/04/2014L. La Rotonda12 I Calorimetri elettromagnetici di ATLAS Lo sciame si sviluppa nel piombo. Il segnale, in corrente, e dato dagli elettroni prodotti per ionizzazione nellAr dalle particelle dello sciame. In ATLAS 3 calorimetri elettromagnetici 1 nella zona centrale (barrel) 2 nelle le regioni in avanti misurano l energia di γ ed elettroni prodotti ad un angolo tra 28.3° e 4.7° rispetto ai fasci Costituiti da strutture in Pb immerso in Ar liquido a 90 K

13 30/04/2014L. La Rotonda13 I Calorimetri adronici di ATLAS Misurano l energia di protoni, neutroni, pioni. I μ perdono solo una frazione di energia nei calorimetri adronici. Strati di ferro alternati a rivelatori nel barrel. Rame come assorbitore ed Ar come rivelatore per i calorimetri in avanti

14 30/04/2014L. La Rotonda14 Tracciatori (1) Il principio di funzionamento dei tracciatori si basa sulla ionizzazione che e prodotta dalle particelle cariche che li attraversano. Gli elettroni sono raccolti e producono un segnale elettrico. La perdita di energia della particella e trascurabile. Un tracciatore e costituito da tanti elementi che si accendono al passaggio di una particella carica. Ricostruzione del percorso della particella carica Identificazione del punto di produzione (vertice)

15 30/04/2014L. La Rotonda15 Tracciatori (2) Se un tracciatore e posto in un campo magnetico ( B ) si determina l impulso (mv) dalla traccia e la sua carica F = q v x B perpendicolare a v e B Il raggio e all impulso Possiamo conoscere il segno della carica

16 30/04/2014L. La Rotonda16 Due sistemi di tracciatori in ATLAS: Inner Detector Spettrometro per muoni Entrambi in campo Magnetico I Tracciatori di ATLAS

17 30/04/2014L. La Rotonda17 Inner Detector 3 diverse tecnologie: Pixels e il SiliCon Tracker individuano il punto di passaggio della traccia. Transition Radiation Tracker da anche informazioni sul tipo di particella.

18 30/04/2014L. La Rotonda18 Spettrometro per muoni (1) E il rivelatore piu esterno. Misura l energia dei μ dalla curvatura delle tracce. E costituito da strati di camere (MDT) che contegno tubi di Al riempiti di gas. Il muone ionizza il gas, gli elettroni prodotti sono raccolti sul filo conduttore posizionato al centro del tubo.

19 30/04/2014L. La Rotonda19 Spettrometro per muoni (2)

20 30/04/2014L. La Rotonda20 Ricostruisce il percorso delle particelle cariche Ricostruzione percorso ed impulso dei μ Misura energia per adroni Misura Energia di e-γ Inner detector (tracciatore) Calorimetro elettromagnetico Camere mu (tracciatore) Calorimetro adronico

21 30/04/2014L. La Rotonda21 Animazione

22 30/04/2014L. La Rotonda22 Rivelazione dei neutrini (1) y x z z x y I due protoni si muovono lungo l asse Z. nel piano XY l impulso di ogni protone e L impulso totale sono nulli. In urto limpulso totale e lo stesso prima e dopo la collisione. Nel piano trasverso (XY) le particelle avranno lo stesso impulso (linea rossa) e si muoveranno nella stessa direzione ed in verso opposto. x z y

23 30/04/2014L. La Rotonda23 ricostruit o Missing Pt x x yy Rivelazione dei neutrini (2) Evento 1Evento 2 Nell evento 2 l impulso trasverso mancante (MPT), come l energia trasversa mancante (MET), possono essere dovuti alla produzione di neutrini. Nell analisi dei dati un alto valore di MET e uno dei criteri di selezione per individuare eventi prodotti dal decadimento di W ( W e/μ + ν )

24 30/04/2014L. La Rotonda24 Selezione degli eventi Z 0 μ + + μ - H W + + W - W + μ + + v W - e - + v W + e + + v a I dati di segnale sono estratti dal campione di eventi noti gli stati finali e le distribuzioni cinematiche ( impulsi,angoli fra le particelle, etc.) Eventi di segnale Eventi di fondo per W Z 0 e + + e - a (uno dei leptoni sfugge ai rivelatori) W - μ - + v

25 30/04/2014L. La Rotonda25 Evento di fondo 1 solo leptone con Pt > 15 GeV no si... con Pt > 20 GeV Leptone isolato dai Jets che vengono dallo stesso vertice Determinare la carica del leptone Determinare il tipo di leptone elettrone (e - ) / positrone (e + ) muone (μ - ) / antimuone (μ + ) Registra: il numero dell evento ed il risultato (W + e tipo di leptone / W - e tipo di leptone / fondo / WW e l angolo tra i leptoni ). Vai a Next Event Solo 2 leptoni + di carica opposta + isolati dai Jets + Pt (l1) > 25 GeV Pt (l2) > 15 GeV Entrambi i leptoni della stessa famiglia Misura l angolo tra i leptoni nel piano trasverso


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