International MasterClasses 2016: Rivelazione di Particelle Un'iniziativa IPPG (International Particle- Physics Outreach Group) con la partecipazione dalla sezione INFN di Bologna Carla Sbarra – INFN Bologna 1

La luce raggiunge l’albero Una parte è assorbita, una rimbalza Arriva ai nostri occhi Il cervello analizza i dati sulla retina e forma un’ immagine Gli occhi (rivelatore) vedono le cose come risultato dell’interazione tra i fotoni (sonde) e gli oggetti che ci circondano (bersagli). Alcuni animali usano come “sonde” le onde sonore. Ogni tipo di onda riflessa può essere usata per ottenere informazioni Come studiamo ciò che ci circonda? 2

Il dettaglio dell’immagine dipende dalla dimensione della nostra “sonda” Cellula: 1-10 μm Il microscopio ottico è limitato dalla lunghezza d’onda λ della luce visibile ( μm) Potere risolutivo 3

CMS ATLAS ALICE LHCB PS LHC Pb p λ p = mv m m m Onde, corpuscoli e quanti m 4

Massa Energia Energia Massa ??? E = mc 2 neutrone U 235 Atomo radioattivo energia particella energia 5

6

tempo spazio Ciò che conta è la densità di energia 7

Acceleriamo sempre e solo particelle cariche N S - + Campi elettrici per fornire energia Campi magnetici per guidare e focalizzare E + - Acceleratori: principi di funzionamento 8

Una struttura: – Una sorgente : – Uno o più tubi a vuoto; – Elementi acceleranti e di guida/focalizzazione; – Un bersaglio (che può essere il fasco stesso); Molti tipi (limiti su E max, I max, ) diversi: – Il tipo di particella accelerata (elettroni/positroni + protoni/antiprotoni) – La forma: lineare, circolare (linac, ciclotroni, sincrotroni...) – Il bersaglio: fisso, collisionatori – … e-,p Acceleratori 9

LINAC Radio Frequenza sorgente Tubi di deriva Tubo a vuoto CICLOTRONE SINCROTRONE Sorgente al centro E B Fascio estratto LEIR CNAO 10

11 Acceleratori a bersaglio fisso Non tutta l’energia del fascio è disponibile per la creazione di nuove particelle Collisionatori Energia disponibile per creare nuove particelle è la somma delle energie delle particelle che interagiscono (2 volte l’energia del fascio se questo è di particelle elementari comegli elettorni)

uud gluoni,uū,d đ … e+e+ e-e- CERN: collisionatore e+e- Particella-antiparticella elementari possono annichilare in altre particelle Limitato in E max da radiazione di sincrotrone Stato finale semplice  misure di precisione CERN: collisionatore pp Urti “interessanti” tra i costituenti: il protone si rompe (frammenta) Grande E max (limite da B max)  ricerca di nuova fisica Stato finale complesso ? p p    W+W-W+W- 12

Ricostruire la traiettoria ed identificare centinaia di particelle Un “evento” a LHC 13

“vagone” con protoni LHC “vagone” con protoni > 2000 vagoni per fascio E p = 6.5 TeV E fascio > Eurostar a 200 Km/h Large Hadron Collider CERN 14 m=1 g v = 1 m/s E c = J = TeV

ATLAS CMS ALICE LHC-B I Rivelatori per LHC 15

Fotografare : Ricostruire le traiettorie di tutte le particelle cariche dello stato finale (a “lunga” vita media) IdentificarIe Misurarne energia e quantità di moto Permettere la ricostruzione di eventuali “genitori” delle particelle osservate nello nello stato finale Compiti dei Rivelatori TUTTO N M p q r s t N p+q+t+M r+s ? p+t ? p+q ? p+q+t 16

Tanti “strati” cilindrici. Dal centro verso esterno: Tracciatore per ricostruire la traiettoria delle particelle cariche Calorimetro elettromagnetico per assorbire e misurare energia di e ± e γ Calorimetro adronico per assorbire misurare energia di adroni (n, p, …) Rivelatore di muoni (tracciatore esterno) Campo magnetico per deviare particelle cariche e misurarne quantità di moto Struttura tipica rivelatore per collider 17

Compact Muon Solenoid Tracciatore Calorimetro Elettromagnetico Calorimetro Adronico Magnete superconduttore Rivelatori di muoni 18

le particelle cariche ionizzano il materiale che attraversano; le cariche libere sono raccolte su elettrodi dove si registra un segnale Volume cilindrico di 1.3 m di raggio 3 piani di “pixel” (celle di 100x150  m) 10 piani di “strip” (strisce da 80  m x 10 cm a 180  m x 25 cm) 75 milioni di canali di lettura lo spessore dei sensori di silicio di ciascun piano è solo 0.15 mm E 150  m Il tracciatore 19

Elettroni e fotoni di alta energia formano degli “sciami” di elettroni e fotoni di energia via via inferiore Alcuni materiali detti scintillatori, se attraversati da particelle cariche, producono luce per fluorescenza Esistono dispositivi in grado di trasformare la luce di scintillazione in impulsi di corrente elettrica La quantità di luce prodotta è proporzionale all’energia della particella che ha iniziato lo sciame In CMS ci sono circa cristalli scintillanti e+e+ e-e- e-e- e+e+ e+e+     e-e- Il Calorimetro Elettromagnetico 20

Sono adroni le particelle formate da quark e gluoni, come n, p, , k… Interagiscono con i nuclei del materiale che attraversano, producendo altre particelle  sciami più complessi di quelli elettromagnetici: più larghi, con componente elettromagnetica,… Calorimetro a campionamento: strati di materiale denso (ottone e ferro in CMS ) che facilita lo sviluppo e assorbimento dello sciame (assorbitore) alternati a strati di scintillatore plastico per rivelare i secondari e misurare energia primario Circa 1 m di spessore Il Calorimetro Adronico 21

Un magnete superconduttore circonda il tracciatore interno e i calorimetri Campo magnetico solenoidale Strati di tracciatore a gas (camere a deriva) alternati agli strati di ferro necessario a chiudere le linee del campo magnetico solenoidale Magnete e Rivelatore per muoni Bobina B 22

MOLTI rivelatori, UN problema: estrarre informazioni da un segnale elettrico analogico Vantaggi dell’ informazione digitale: facile da trasportare (non si degrada durante la trasmissione) facile da manipolare adatta a essere immagazzinata e distribuita DIGITALIZZARE APPENA POSSIBILE E’ passata una particella? ( sì/no, 1 bit) Quando? (clock) Di che energia? (Ampiezza, ToT,…) … soglia ampiezza Acquisizione Dati ToT 23

DAQ a LHC ~ 100 milioni di segnali per ogni evento ~ 40 milioni di eventi al secondo Microeletronica (digitalizzazione) fibre ottiche Pipelines Buffer Switches banda Centinaia di CPU Terabytes (TB) di dati TRIGGER 24

Consideriamo SOLO i decadimenti in coppie e ±,   Il decadimento è immediato: c  Z ≈ m Conoscendo energia e impulso dei prodotti di decadimento si può calcolare la massa del “genitore” (leggi di conservazione + cinematica relativistica). Se decade in una coppia di muoni (idem per elettroni): M Z ≈ 91 GeV vita media  ≈3 × s e + (   ) e - (   ) Z0Z0 Ricostruzione Z 0 25

26 Candidati Z 0   +  - Muoni mostrati in ROSS0 Particelle con carica + Curvano in senso ORARIO Particelle con carica – Curvano in senso ANTIORARIO ECal

27 Candidati Z 0  e + e - Elettroni mostrati in VERDE Fotoni mostrati In GIALLO

Consideriamo SOLO i decadimenti in coppie e ± v,   Il decadimento è immediato e± (  ) e (v  ) W±W± Il neutrino non è rivelato!!!! Possiamo dedurre la sua presenza da un “non bilanciamento” energetico nel piano perpendicolare alla direzione dei fasci - Lungo il tubo a vuoto si possono perdere particelle M W ≈ 80 GeV vita media  ≈ 2 × s ? Ricostruzione W ± 28 Fascio 1 Fascio 2

29 Energia mancante E T mostrata in VIOLA Candidati W   W  e

30 Consideriamo SOLO i decadimenti in coppie ZZ e in coppie  Il decadimento è immediato Ricostruzione Higgs M H ≈ 125 GeV vita media  ≈ s   H   H e + (   ) e - (   ) e + (   ) e - (   ) Segnature nello stato finale: 2 fotoni di alta energia 4 leptoni (4 , 4e, 2  +2e) con cariche a due a due opposte

31 Higgs? Ora tocca a voi!!