Gli Acceleratori e i Rivelatori di Particelle Wander Baldini Istituto Nazionale di Fisica Nucleare

cominciamo con gli acceleratori… Un acceleratore di particelle e’ un “dispositivo” che consente di accelerare particelle (es: elettroni e protoni) fino ad energie molto alte E costituito tipicamente da una serie di magneti disposti ad anello che contengono ed accelerano le particelle ad ogni giro I piu’ importanti si trovano a: CERN (Ginevra) L=27km E = 14TeV Fermilab (Chicago) L=6.28 km E = 2TeV un elettronvolt (eV) e’ l’energia che acquista un elettrone se accelerato da una differenza di potenziale di 1V

I rivelatori di particelle servono a “vedere” cosa succede quando si scontrano le particelle negli acceleratori Un “Evento” visto dall’Event Display del rivelatore CMS al CERN, approfondiremo in seguito….

Come rivelare una particella Per rivelare una particella occorre che questa interagisca con la materia Di fondamentale importanza dunque il concetto di interazione Gravita’ Debole Elettromagnetica (e.m.) Forte

Come interagiscono le particelle con la materia: Siamo qui interessati in particolare a capire come possiamo rivelare i vari tipi di particelle Le interazioni utilizzate per realizzare i rivelatori di particelle sono:  ELETTROMAGNETICA  FORTE Infatti la “forza relativa” dei 4 tipi di interazione:  forte : 1  e.m. : 1/137  debole: ~10-5  gravitazionale: ~10-40 Troppo deboli!!

Quarks / Adroni Adroni, sono combinazioni di 2 o 3 quarks: Quarks: u, c, t: hanno carica +2/3 d, s, b: hanno carica -1/3 Non esistono liberi ma sono confinati negli adroni Adroni, sono combinazioni di 2 o 3 quarks: Mesoni: 2 quarks, p±, p0 (pioni) Barioni: 3 quarks, p,n,… Hanno massa grande: p,n : ~ 940 MeV p±, p0 : ~ 140 MeV n (udd) Interagiscono sia e.m. che forte e ne esistono di molti tipi I piu’ importanti sono protone (p), neutrone (n), pione (p) p (uud)

I Leptoni Elettrone e± 0.5 MeV Muone μ± 105 MeV Tau t± 1800 MeV Neutrini n < 2 eV e±, μ± , t± Interagiscono e.m. e sono carichi elettricamente I neutrini interagiscono solo debole e dunque sono difficilissimi da rivelare

I bosoni vettori delle varie interazioni Secondo la meccanica quantistica una interazione tra particelle avviene attraverso lo scambio di un’altra particella chiamata “bosone vettore” Il vettore dell’interazione e.m. e’ il fotone g I vettori delle interazioni deboli sono Z0 , W± Il vettore delle interazioni forti si chiamano gluoni (g) e sono 8

Il comportamento di una particella nella materia dipende essenzialmente da come interagisce e dalla sua massa All’interno di un materiale la particella interagisce con gli elettroni atomici e/o con i nuclei Le particelle con carica e.m. perdono energia gradualmente urtando principalmente gli elettroni atomici e liberando delle cariche elettriche nel materiale Le particelle con carica forte (adroni) interagiscono anche tramite interazione forte con i nuclei e- N

Elettroni e positroni (e-e+) hanno la stessa massa degli elettroni atomici percio’ negli urti perdono molta energia e si fermano facilmente interagiscono solo e.m. (quindi non interagiscono tramite interazione forte con i nuclei) e± e- N

Muoni m+ m- hanno una massa molto maggiore degli elettroni atomici ( 200 volte) percio’ negli urti perdono poca energia interagiscono solo e.m. (quindi non interagiscono forte con i nuclei) Sono dunque molto penetranti (servono molti metri di materiale per fermarli) e- N m±

Gli Adroni hanno anche loro una massa molto maggiore degli elettroni atomici (>300 volte) percio’ negli urti perdono poca energia interagiscono sia e.m. con gli elettroni che forte con i nuclei e possono essere carichi (es. p, p±), che neutri (es. n, p0) Sono dunque molto penetranti (≈ 1m) ma non quanto i muoni m e- N p,n…

Vari tipi di rivelatore: Sistemi di tracciamento misurano la direzione di particelle cariche senza deviarle Quindi devono essere costituiti da materiali poco densi (gas) o da strati molto sottili (semiconduttori o fibre ottiche plastiche) Devono avere piu’ stadi per misurare la direzione della “traccia” Vedono solo le particelle cariche + Particella carica Sistemi di tracciamento

Vari tipi di rivelatori: Calorimetri misurarano l’energia delle particelle fermandole (cioe’ assorbendo tutta la loro energia). Quindi devono essere costituiti da materiali molto densi (esempio Pb, Fe, ..) Possono essere  e.m. : ottimizzati per misurare l’energia di elettroni e fotoni  adronici : per misurare l’energia degli adroni e±, g h m± e.m. adronico Rivelatore di muoni Il rivelatore dei muoni: e’ posto dopo ai calorimetri, dove arrivano (quasi) solo i muoni

Riassumendo: il comportamento delle le varie particelle

Vista schematica di un tipico rivelatore di particelle

LHC: il Large Hadron Collider On utilise des accélérateurs de particules, qui nous ont permis de décpouvrir ce qui se cachait en dessous de l’atome. En dessous de l’atome, il y a le noyau et des électrons qui gravitent autour. Et le noyau lui même, estcomposé de particules plus petites encore, les protons et les neutrons. Et les neutrons eux mêmes, sont composés de particules plus petites encore, les quarks.

4 punti di interazione 100 metri sotto terra Alpi Jura Fiume Rodano Lago di Ginevra Circonferenza: 27 km 4 punti di interazione 100 metri sotto terra 19 19

Il Complesso di acceleratori del CERN 7 TeV 450 GeV 25 GeV 50 MeV 1.4 GeV

Il CERN e LHC Fondato nel 1954, al fine di unire le conoscenze europee nel campo della fisica nucleare, da 12 paesi europeei tra cui l’Italia Oggi conta 2400 impiegati, 10000 “visiting scientists”, collabora con 608 universita’ e 113 paesi di tutto il mondo. LHC fa collidere protoni ad una energia totale di 14 TeV (7 per fascio) in un tunnel circolare scavato ad una profondita’ media di 100m, per non deturpare l’ambiente e per schermare le radiazioni La circonferenza e’ 27 chilometri, e’ composto da migliaia di magneti, tra cui 1232 magneti dipolari (15m) per deflettere la particelle, 392 magneti quadripolari (7m) per focalizzarle, il tutto tenuto ad una temperatura di circa -271 °C Il consumo energetico totale e’ di 120 MW (quanto l’intera Ginevra), dovuto in gran parte al sistema di raffreddamento Il costo complessivo del progetto e’ di circa 6.5 GEuro , di cui 5 G-euro per LHC, 1.35 G-euro per i 4 rivelatori, 150 M-euro per il computing

Nel pomeriggio analizzeremo degli eventi visti dal rivelatore CMS: Compact Muon Solenoid

J/Ψ  μ+ μ- ??? Un esempio di “evento” visto nel rivelatore CMS SI SI La particella J/Ψ e’ formata da una coppia di quarks charm-anticharm ed e’ una cosiddetta “risonanza” ossia una particella che vive per un tempo brevissimo (<10-15 s) SI SI NO Carica opposta Stessa carica

J/Ψ  μ+ μ- La risonanza J/Ψ e la sua “massa invariante” Quando una particella instabile come la J/psi decade, per la conservazione del 4-vettore energia-impulso, le particelle in cui decade devono avere caratteristiche cinematiche ben definite, molto utili per riconoscere questi decadimenti Visto che abbiamo a che fare con particelle che viaggiano quasi alla velocita’ della luce dobbiamo usare la cinematica relativistica Massa invariante della J/Ψ J/Ψ  μ+ μ-