Rivelazione di particelle 10th International Masterclasses 2014 Un’iniziativa EPOG European Particle-Physics Outreach Group con la partecipazione della sezione INFN di Bologna Bologna, Roma, Atene, Palaiseau, Santander roberto spighi, Bologna 13 marzo 2014

Indice L’importanza dello studio delle particelle Perchè usare acceleratori sempre più potenti Rivelazione delle particelle Riconoscimento di eventi particolari

conoscere ciò che ci circonda Rutherford Bohr Tutta la materia che ci circonda è fatta di atomi ATOMO  10-10 m (0.1 miliardesimo di metro) elettrone NUCLEO  10-14 m Protoni e neutroni Sono i costituenti ultimi? Si può andare ancora nel più piccolo?

studiare il mondo senza vederlo Per vedere il mondo microscopico non possiamo usare gli occhi Ci dobbiamo servire di altri strumenti bastone grosso bacchetta sottile Testa, occhi, naso ... Corpo riconosco parti con dimensioni ~ sezione della bacchetta

Perchè gli acceleratori? -1 PIU’ POTENTI SONO  PIU’ VEDONO IL PICCOLO Per vedere le particelle devo avere “bacchette” piccolissime Particelle stesse λ dualismo onda-corpuscolo: le particelle si comportano come onde e la loro dimensione è la lunghezza d’onda associata λ~ 1/p p è la quantità di moto (proporzionale all’energia) Se voglio vedere oggetti piccoli particelle con GRANDE ENERGIA λ PICCOLA ACCELERATORI PIU’ POTENTI SONO  PIU’ VEDONO IL PICCOLO

Perchè gli acceleratori? 2 E = Mc2 ENERGIA MASSA PIONI KAONI MUONI + ACCELERATORE POTENTE  + PRODUCE PARTICELLE ALTA ENERGIA  PRODUCONO ALTRE PARTICELLE  STUDIO INFINITAMENTE PICCOLO

Acceleratori: come funzionano particelle prodotte riscaldando filamenti (elettroni) o per ionizzazione (es H senza e- = protone) o con urti (antiparticelle) particelle corrono dentro dei tubi Campi elettrici per accelerare Campi magnetici per curvare N S E=100 eV + - Traiettorie circolari 100 V

I primi acceleratori + + + - - - Acceleratore circolare Acceleratore lineare + + + - - - Sorgente di particelle

Acceleratori: a bersaglio fisso e collider Acceleratore bersaglio Bersaglio fisso Collider E = mc2 Energia  materia (particelle)

LHC CERN Beam pipe 2012: >10•106 urti/s CERN (GINEVRA) 27 KM CIRC. LHC CERN Beam pipe Bunch 1011 protoni Bunch 1011 protoni 2012: >10•106 urti/s E = 8 TeV (> eurostar a 200 km/h)

I 4 esperimenti di LHC LHC-B ATLAS ALICE CMS

UN URTO AD LHC Centinaio di particelle prodotte: ricostruirle e riconoscerle apparati molto grandi  separo le varie particelle struttura a “cipolla”  in ogni strato lasciano un segnale

rivelatori di particelle Cosa dobbiamo sapere di ogni particella? Beam pipe e protoni TUTTO !! cinematica tracciatori Posizione Direzione del moto Energia/impulso tempo di vita Tipo di particella Identificazione impulso identificazione evento

Tracciatori e rivelatori di vertice la rivelazione delle particelle si basa sugli effetti prodotti dal loro passaggio nella materia Particelle cariche: se attraversano un mezzo incontrano atomi  forza di Coulomb Ionizzano - Segnale elettrico + + + + + Mezzo (gas o anche solido) Filo carico + Ricostruita la traiettoria della particella

CMS: Tracciatori e rivelatori di vertice Silicon Tracker: 13 strati 76 M canali Pixel: 100x150 μm Precisione sul vertice ~ 15 μm Strip: 80 x 180 μm 25 cm x 180 μm Precisione su impulso = 1.5%

Misura dell’impulso (o quantità di moto) rivelazione Fatto dal tracciatore con il campo magnetico Forza di lorentz: tra una carica ed un campo magnetico si esercita una forza Raggio di curvatura Impulso maggiore (+) Impulso minore (+) modulo dell’impulso mv e la carica q N S Carica opposta -

Magnete superconduttore di CMS B = 4 Tesla 100 K > terra Lungo 13 m Diametro 6 m Peso ~ 12 T T = -269 °C solenoide

Il riconoscimento delle particelle identificazione Parte interna dedicata al tracciamento Particella viaggia ~ indisturbata Parte esterna dedicata al riconoscimento (ed anche al tracciamento) Calorimetri Elettromagnetico Adronico Rivelatori di muoni Particelle ~ “distrutte”  collidono con materiali densi

Il calorimetro elettromagnetico Calorimetri riconoscere e± ,γ strati di materiale denso alternati a strati di rivelatore di γ  effetto a catena (sciame em)  particelle perdono energia  sciame si esaurisce bremstrahlung Piombo ... e±, γ Pb scintillatore Raccolta la luce ≈ energia particella iniziale

Il calorimetro adronico Riconoscere p, n e π (protoni, neutroni, pioni) e misura energia p, n, π  urtano atomi del calorimetro  creano altre particelle P, n , π strati di Fe alternati a strati di rivelatore ... calorimetri Inizia dopo Più aperto Meno simmetrico Sciame adronico Sciame elettromagnetico

rivelatori di muoni Rivela muoni e ne misura l’impulso Rivelatore più esterno e più grande Muoni sono “poco interagenti”  se attraversano materiali perdono poca energia  ~unici ad arrivare a questo rivelatore

Identificazione delle particelle rivelazione

Riconoscimento delle principali particelle Tracciatore Calo em Elettroni Positroni muoni Tutti gamma Calo em Adroni neutri (neutroni) Calo Adr Tracciatore Calo adr Adroni carichi (protoni) neutrini

Ricostruzione degli eventi, Z0 Z0 particella instabile  decade, non si misura direttamente μ+ (e+) Z0 μ-(e-) Tempo (s) 3x10-25 Spazio (m) 10-18 Z0  ricostruita da e/μ o con conservazione Energia/Impulso MASSA 91.188 ± 0.002 GeV

CMS: Evento con Z0: visione in prospettiva Tracciatore Rivelatore di muoni

CMS: Evento con Z0: visione trasversa tracciatore 2 tracce cariche che arrivano al rivelatore di muoni calorimetri Rivelatore di muoni 2 MUONI di carica opposta carica +  senso orario Z0  μ+μ-

Ricostruzione degli eventi, W W  particella instabile: creata, vive e decade W+  μ+ νμ W+  e+ νe Riconoscere μ e ν W-  μ- νμ W-  e- ν μ+ (e+) W+ ν  invisibile: si ricostruisce come energia mancante νμ(νe)

CMS: Evento con W: visione in prospettiva Rivelatore di muoni Tracciatore

CMS: Evento con W: visione trasversa tracciatore molta energia mancante (freccia gialla lunga) calorimetri Rivelatore di muoni NEUTRINO Traccia carica che si ferma nel cal em Weν ELETTRONE

Ricostruzione degli eventi, Higgs HZ0Z0  μ+ μ- e+e- , μ+ μ- μ+ μ- , e+e- e+e- μ+ μ- H Z0 e+e- H γγ γ γ γ H

CMS: Evento con H: visione in prospettiva HZ0Z0  μ+ μ- e+e- Rivelatore di muoni Calorimetro

CMS: Evento con H: visione trasversa HZ0Z0  μ+ μ- e+e- H γγ 2 fotoni (segnale nel cal em) 2 elettroni 2 muoni

Vi accoglieremo a braccia aperte Conclusioni questo è un bell’esercizio basato su dati veri è la fisica di maggior interesse oggi la tecnologia associata è al massimo livello di sviluppo se deciderete di fare fisica noi Vi accoglieremo a braccia aperte Grazie a tutti, studenti e professori

Backup slides

I numeri di LHC Macchina più grande al mondo 27 km quasi tutti in Francia protone fa 11000 giri/s posto più freddo e più caldo dell’universo magneti superconduttori -271 C = 1.9 K nell’urto la “temperatura” è 1000 miliardi > T sole costi tot 6 miliardi € (1 anno camera+senato ~ 2 miliardi €) ITALIA ~700 milioni € ritorno di ~1.5 volte 700 ricercatori italiani coinvolti

I primi acceleratori Raggi cosmici  particelle provenienti dallo spazio Scoperte: muoni (1936), pioni, kaoni (1947), ... Stato finale urto particella aria primo acceleratore costruito dall’uomo

I primi rivelatori di particelle Particelle cariche ionizzano un liquido vicino all’ebollizione lasciando una scia di “bollicine” lungo la traiettoria CAMERE A BOLLE Anni 50/70  fascio mandato dentro volume di gas  foto Camera a bolle Bellissime perchè vedevi tutto, ma lente e non triggerabili ( foto quasi tutte vuote)