Rivelazione di particelle 11th International Masterclasses 2015 Un’iniziativa EPOG European Particle-Physics Outreach Group con la partecipazione della sezione INFN di Bologna Bologna, Praga, Nijmegen, Bratislava, Stoccolma 10000 studenti, 42 paesi, 200 Università coinvolte roberto spighi, Bologna 17 marzo 2015

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 Robert Downey jr. Testa, occhi, naso ... Corpo riconosco parti con dimensioni ~ sezione della bacchetta

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

Perchè gli acceleratori? 2 E = Mc2 ENERGIA MASSA PIONI KAONI MUONI PROTONI + 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 + + + - primo acceleratore - - Sorgente di particelle

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

LHC CERN Beam pipe 2012: ~ 40•106 urti/s CERN (GINEVRA) 27 KM CIRC. CERN Beam pipe Bunch 1011 protoni Bunch 1011 protoni 2012: ~ 40•106 urti/s E = 8 TeV (> eurostar a 200 km/h) 2015: E = 13 TeV

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

ATLAS: Tracciatori e rivelatori di vertice Camere a drift Rivelatori Si a semi-conduttore Pixel Strip 50 x 400 μm 80 μm x 6.4 cm ~80 milioni di pixels Tracce distinte fino a 0.2 mm Precisione sul vertice = 15 μm

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 -

I magneti superconduttori di ATLAS solenoide B = 2 Tesla Raggio ~ 1 m B = ~0.5 Tesla Raggi ~ 9 e 20 m Lungh ~ 25 m Toroide Frontale toroide Toroide dall’alto

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 strati di Fe alternati a strati di rivelatore ... calorimetri Inizia dopo Più aperto Meno simmetrico Sciame adronico cosmici Sciame elettromagnetico

MDT Monitor drift tubes rivelatori di muoni Rivela muoni e ne misura l’impulso (con il magnete toroide) Rivelatore più esterno e più grande (~22 m di diametro) “botte” a più strati con 2 «tappi» laterali (big wheel) “tappo” MDT Monitor drift tubes Muoni sono “poco interagenti”  se attraversano materiali perdono poca energia  ~unici ad arrivare a questo rivelatore All atlas Costruzione ATLAS

Ricostruzione delle particelle Per vedere il programma interattivo sulla ricostruzione delle particelle, collegarsi all’indirizzo http://atlas.physicsmasterclasses.org/it/zpath_playwithatlas.htm All’interno del sito delle Masterclass

Identificazione delle particelle start

Riconoscimento delle principali particelle Tracciatore Calorimetro em Elettroni Positroni Tutti muoni Calorimetro em gamma Pioni/prot Tracciatore Calorimetro adr neutrini

Ricostruzione degli eventi Z0  particella instabile: creata, vive e decade μ+ (e+) Z0 μ-(e-) Tempo (s) 3x10-25 Spazio (m) 10-18 Z0  impossibile da misurare direttamente Z0  ricostruire dagli elettroni e muoni

μ+ (e+) Z0 μ-(e-) Ricostruzione della Z0 1) Riconoscere i prodotti di decadimento μ+μ- o e+e- 2) Ricostruire la MASSA (91.188 ± 0.002) GeV 

Ricostruzione della Massa della Z0 elettroni (muoni) misuriamo Impulso  Energia Z0 μ+ (e+) μ-(e-) Conservazione q. moto/Energia totale (~urto elastico)

evento visione trasversa atlas 2 μ e con carica opposta Energia mancante piccola atlas μ positivo  |P| = 59 GeV μ negativo  |P| = 72 GeV 2 μ e con carica opposta ≠ μ Minv = 86.7 GeV CandidatoZ0  μ+ μ- visione longitudinale

evento visione trasversa Minv = 130.0 GeV CandidatoH  γγ No tracce cariche “phisics objects“  2 gamma Minv = 130.0 GeV CandidatoH  γγ visione longitudinale

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