ScienzEstate 20/7/2006Piergiulio Lenzi Le frontiere della fisica subnucleare Elementi di Fisica LHC al CERN di Ginevra l’esperimento CMS Elementi di Fisica LHC al CERN di Ginevra l’esperimento CMS

Cosa studia la fisica subnucleare? I costituenti elementari della materia L’aggettivo “elementare” si riferisce a particelle che, allo stato attuale delle conoscenze, non possiedono una struttura interna Da questo punto di vista l’elettrone è una particella elementare, il protone ed il neutrone no Le forze attraverso le quali interagiscono La fisica subnucleare Cosa studia? Le forze fondament. Leptoni & Quark Lo zoo di particelle CERN Cos’è il CERN? I microscopi della fisica Com’è fatto un acceleratore? LHC L’esperimento CMS La struttura e i detector Il silicon tracker I rivelatori a microstrisce di silicio

Le 4 forze fondamentali La fisica subnucleare Cosa studia? Le forze fondament. Leptoni & Quark Lo zoo di particelle CERN Cos’è il CERN? I microscopi della fisica Com’è fatto un acceleratore? LHC L’esperimento CMS La struttura e i detector Il silicon tracker I rivelatori a microstrisce di silicio Fisica SubNucleare propriamente detta Forza Forte: Forza Forte: È responsabile dell’energia di legame di protoni e neutroni Forza Debole: È responsabile del decadimento  È mediata da W +, W - e Z 0 (Rubbia, 1983) È mediata da W +, W - e Z 0 (Rubbia, 1983) Forza Elettromagnetica: È responsabile dell’interazione coulombiana tra particelle cariche particelle cariche È mediata dal fotone  Forza gravitazionale: Da verificare le teorie a riguardo

I costituenti fondamentali della materia La fisica subnucleare Cosa studia? Le forze fondament. Leptoni & Quark Lo zoo di particelle CERN Cos’è il CERN? I microscopi della fisica Com’è fatto un acceleratore? LHC L’esperimento CMS La struttura e i detector Il silicon tracker I rivelatori a microstrisce di silicio MODELLO STANDARD: LeptoniQuark

Lo zoo di particelle I leptoni sono particelle elementari Elettroni negli atomi Muoni nei raggi cosmici … I quark invece non esistono isolati (confinamento), sono i mattoni che formano gli adroni La fisica subnucleare Cosa studia? Le forze fondament. Leptoni & Quark Lo zoo di particelle CERN Cos’è il CERN? I microscopi della fisica Com’è fatto un acceleratore? LHC L’esperimento CMS La struttura e i detector Il silicon tracker I rivelatori a microstrisce di silicio ADRONI BARIONI MESONI qq

Antimateria (i) L’equazione che descrive classicamente il moto di una particella libera è L’equazione relativisticamente corretta è: Questa equazione ammette due soluzioni di segno opposto per l’energia Dirac, nel 1928, interpretò le soluzioni ad energia negativa attribuendole alle cosiddette “antiparticelle” Le antiparticelle sono identiche alle corrispondenti particelle, eccetto per la carica che è di segno opposto La fisica subnucleare Cosa studia? Le forze fondament. Leptoni & Quark Lo zoo di particelle Antimateria Reazioni nucleari CERN Cos’è il CERN? I microscopi della fisica Com’è fatto un acceleratore? LHC L’esperimento CMS La struttura e i detector Il silicon tracker I rivelatori a microstrisce di silicio

Antimateria (ii) La fisica subnucleare Cosa studia? Le forze fondament. Leptoni & Quark Lo zoo di particelle Antimateria Reazioni nucleari CERN Cos’è il CERN? I microscopi della fisica Com’è fatto un acceleratore? LHC L’esperimento CMS La struttura e i detector Il silicon tracker I rivelatori a microstrisce di silicio E 0 mec2mec2 -m e c 2  e-e- e+e+

Alcuni esempi di reazioni nucleari Le due regole fondamentali che governano le reazioni sono: Conservazione dell’impulso Conservazione dell’energia totale (TUTTA l’energia, non solo quella meccanica) Urto elastico: A+B  A+B Effetto Compton: Urto anelastico: A+B  C+D+E+… Annichilazione e + e - : Creazione di coppie: Decadimento  : Produzione risonante di particelle: … La fisica subnucleare Cosa studia? Le forze fondament. Leptoni & Quark Lo zoo di particelle Antimateria Reazioni nucleari CERN Cos’è il CERN? I microscopi della fisica Com’è fatto un acceleratore? LHC L’esperimento CMS La struttura e i detector Il silicon tracker I rivelatori a microstrisce di silicio Le due regole fondamentali che governano le reazioni sono: Conservazione dell’impulso Conservazione dell’energia totale (TUTTA l’energia, non solo quella meccanica) Urto elastico: A+B  A+B Effetto Compton: Urto anelastico: A+B  C+D+E+… Annichilazione e + e - : Creazione di coppie: Decadimento  : Produzione risonante di particelle: …

Cos’è il CERN? IL CERN (Centro Europeo per le Ricerche Nucleari) è il più grande laboratorio di fisica delle particelle del mondo È situato a Ginevra, a cavallo del confine tra Francia e Svizzera L’Italia è uno degli stati fondatori e partecipa con circa 1600 persone La fisica subnucleare Cosa studia? Le forze fondament. Leptoni & Quark Lo zoo di particelle CERN Cos’è il CERN? I microscopi della fisica Com’è fatto un acceleratore? LHC L’esperimento CMS La struttura e i detector Il silicon tracker I rivelatori a microstrisce di silicio

I microscopi della fisica La fisica delle particelle studia la struttura della materia a distanze dell’ordine del femtometro ( m) Si rende necessario l’utilizzo di microscopi molto particolari, ovvero gli acceleratori di particelle Il principio che sta alla base del funzionamento degli acceleratori è la natura ondulatoria delle particelle in movimento Un acceleratore di particelle permette di risolvere dettagli della struttura della materia di dimensioni comparabili con la lunghezza d’onda che si associa alle particelle accelerate usate come proiettili La fisica subnucleare Cosa studia? Le forze fondament. Leptoni & Quark Lo zoo di particelle CERN Cos’è il CERN? I microscopi della fisica Com’è fatto un acceleratore? LHC L’esperimento CMS La struttura e i detector Il silicon tracker I rivelatori a microstrisce di silicio

Com’è fatto un acceleratore? La fisica subnucleare Cosa studia? Le forze fondament. Leptoni & Quark Lo zoo di particelle CERN Cos’è il CERN? I microscopi della fisica Com’è fatto un accelera? LHC L’esperimento CMS La struttura e i detector Il silicon tracker I rivelatori a microstrisce di silicio Gli elementi costruttivi principali sono: Due tubi a vuoto nei quali scorrono i fasci Dispositivi di accelerazione detti cavità a radiofrequenza Un sistema di deflessione dei fasci che utilizza dipoli magnetici Un sistema di focalizzazione dei fasci Esperimenti montati attorno ai punti di collisione dei fasci X X

LHC Large Hadron Collider (I) LHC è il nuovo acceleratore di particelle attualmente in costruzione al CERN Con questa nuova macchina e con i relativi esperimenti si intende verificare le previsioni del Modello Standard ad energie mai raggiunte prima, in particolare si vuole: Verificare l’esistenza della particella di Higgs (prevista dal MS, nella teoria giustifica le masse delle particelle) Verificare la possibile esistenza di particelle previste da estensioni del MS (teorie di Supersimmetria) Studiare la possibile esistenza di nuova fisica, non prevista dal Modello Standard La fisica subnucleare Cosa studia? Le forze fondament. Leptoni & Quark Lo zoo di particelle CERN Cos’è il CERN? I microscopi della fisica Com’è fatto un acceleratore? LHC L’esperimento CMS La struttura e i detector Il silicon tracker I rivelatori a microstrisce di silicio

LHC Large Hadron Collider (II) È un collider di protoni 7 TeV (10 12 eV) per fascio Ha una circonferenza di 27 km ed è alloggiato in un tunnel a ~100m di profondità 1238 dipoli di deflessione da 8T La fisica subnucleare Cosa studia? Le forze fondament. Leptoni & Quark Lo zoo di particelle CERN Cos’è il CERN? I microscopi della fisica Com’è fatto un acceleratore? LHC L’esperimento CMS La struttura e i detector Il silicon tracker I rivelatori a microstrisce di silicio Sono previsti 4 esperimenti CMSATLASALICELHCb Raffreddamento a 2K Vuoto di ÷ torr

LHC: galleria fotografica La fisica subnucleare Cosa studia? Le forze fondament. Leptoni & Quark Lo zoo di particelle CERN Cos’è il CERN? I microscopi della fisica Com’è fatto un acceleratore? LHC L’esperimento CMS La struttura e i detector Il silicon tracker I rivelatori a microstrisce di silicio

CMS: La struttura e i detector Obiettivi di fisica: Bosone di Higgs Modello Standard Supersimmetria La fisica subnucleare Cosa studia? Le forze fondament. Leptoni & Quark Lo zoo di particelle CERN Cos’è il CERN? I microscopi della fisica Com’è fatto un acceleratore? LHC L’esperimento CMS La struttura e i detector Il principio di funzionamento Il silicon tracker I rivelatori a microstrisce di silicio Magnete solenoidale superconduttore 4 T Tracciatore al silicio Calorimetro elettromagnetico Calorimetro adronico Camere a muoni

Il principio di funzionamento Silicon tracker: Strati di rivelatori Punti di passaggio particelle Misura di impulso ECAL: Misura di energia di elettroni e fotoni HCAL: Misura di energia degli adroni Camere a μ: Misura di impulso dei μ La fisica subnucleare Cosa studia? Le forze fondament. Leptoni & Quark Lo zoo di particelle CERN Cos’è il CERN? I microscopi della fisica Com’è fatto un acceleratore? LHC L’esperimento CMS La struttura e i detector Il principio di funz. Il silicon tracker I rivelatori a microstrisce di silicio

Calorimetri e camere a muoni Le particelle interagiscono con il materiale che costituisce i calorimetri e formano sciami Dalla misura delle caratteristiche geometriche dello sciame si riesce ad ottenere una determinazione dell’energia della particella incidente Le camere a μ servono a misurare impulso e direzione dei μ La fisica subnucleare Cosa studia? Le forze fondament. Leptoni & Quark Lo zoo di particelle Antimateria Reazioni nucleari CERN Cos’è il CERN? I microscopi della fisica Com’è fatto un acceleratore? LHC L’esperimento CMS La struttura e i detector Calorimetri e camere a μ Il silicon tracker I rivelatori a microstrisce di silicio Calorimetro elettromagnetico Calorimetro adronico Camere a μ

Il tracciatore al silicio 5.6 m 1.2 m 200 m 2 di silicio !! pixel TIB TOB TID TEC La fisica subnucleare Cosa studia? Le forze fondament. Leptoni & Quark Lo zoo di particelle CERN Cos’è il CERN? I microscopi della fisica Com’è fatto un acceleratore? LHC L’esperimento CMS La struttura e i detector Calorimetri e camere a μ Il silicon tracker I rivelatori a microstrisce di silicio

I rivelatori a microstrisce di silicio (I) Sono rivelatori di posizione per particelle cariche Sono costituiti da un wafer di silicio tipo “n” (elettroni portatori maggioritari) sul quale sono realizzate delle impiantazioni di tipo “p” (lacune portatori maggioritari) È lo stesso principio di funzionamento dei diodi Il sensore viene “contropolarizzato”  svuotato di tutti i portatori liberi La particella carica che attraversa il sensore produce coppie elettrone-lacuna che sono raccolte dagli elettrodi Per effetto del campo di contropolarizzazione di contropolarizzazione le lecune migrano verso le lecune migrano verso le impiantazioni p le impiantazioni p Gli elettroni verso il back n back n La fisica subnucleare Cosa studia? Le forze fondament. Leptoni & Quark Lo zoo di particelle CERN Cos’è il CERN? I microscopi della fisica Com’è fatto un acceleratore? LHC L’esperimento CMS La struttura e i detector Calorimetri e camere a μ Il silicon tracker I rivelatori a microstrisce di silicio

I rivelatori a microstrisce di silicio (II) Un sensore costituito da un wafer di silicio di tipo n con strisce (512 o 768) realizzate con impiantazioni p + L’elettronica di lettura: Un circuito multistrato (ibrido) 4 o 6 chip APV-25 L’elettronica di controllo e quella di digitalizzazione sono accoppiate ai rivelatori tramite fibra ottica. Ogni rivelatore si compone di: ~12 cm ~6 cm La fisica subnucleare Cosa studia? Le forze fondament. Leptoni & Quark Lo zoo di particelle CERN Cos’è il CERN? I microscopi della fisica Com’è fatto un acceleratore? LHC L’esperimento CMS La struttura e i detector Calorimetri e camere a μ Il silicon tracker I rivelatori a microstrisce di silicio

Al lavoro!!