Rivelatori di Particelle Danilo Domenici

Rivelatori di Particelle Nella fisica sperimentale, un rivelatore di particelle o rivelatore di radiazione è uno strumento usato per rivelare, tracciare e identificare particelle. (Wikipedia) area attiva elettronica di lettura I rivelatori di particelle sono strumenti che producono un segnale osservabile quando vengono colpiti da una particella. Sono solitamente costituiti da un elemento attivo (con cui interagisce la radiazione) e da un sistema di lettura (che forma il segnale e lo invia all’acquisizione dati)

Rivelatori di Particelle Molto generalmenete un rivelatore può essere pensato come un accumulatore di energia elettrica. La molla è un accumulatore di energia meccanica: se caricata possiede un’energia potenziale che si trasforma in energia cinetica quando scatta. Similmente possiamo pensare un rivelatore come un condensatore. Quando viene attraversato da una particella “scatta”, e il potenziale elettrico si trasforma in segnale elettrico.

Caratteristiche dei Rivelatori Sensibiltà: capacità di produrre un segnale utile per un certo tipo di radiazione e di energia. Nessun rivelatore può essere sensibile a tutti i tipi di radiazione. Ogni rivelatore è progettato per essere sensibile ad un tipo di radiazione in un certo intervallo di energia. Risposta: tipo di segnale utile prodotto. Spesso il segnale prodotto da un rivelatore è un impulso di corrente la cui ampiezza è proporzionale all’energia rilasciata dalla particella. Risoluzione: differenza minima di una grandezza fisica misurata (es. energia) necessaria perchè il rivelatore possa distinguere due misure vicine. Si esprime in termini di deviazione standard della distribuzione della grandezza misurata. Es.: Risoluzione spaziale. E’ la distanza minima alla quale un rivelatore distingue il passaggio di due particelle.

Caratteristiche dei Rivelatori Efficienza: efficienza assoluta: frazione di particelle rivelate dal rivelatore rispetto a quelle emesse dalla sorgente. Efficienza intrinseca: frazione di particelle rivelate dal rivelatore rispetto a quelle che lo colpiscono. Tempo morto: tempo necessario al rivelatore per formare il segnale dopo che è passata la particella. Dipende molto dall’elettronica di lettura. Il tempo morto può ridurre l’efficienza se il rivelatore non è in grado di rivelare una particella perchè ancora impegnato a processare l’evento precedente. Questo fenomeno aumenta quanto più è elevata la frequenza di arrivo delle particelle.

L’occhio umano è un rivelatore di particelle: i fotoni sorgente bersaglio rivelatore I fotoni sono le particelle elementari di cui è costituita la luce Noi vediamo un oggetto perché viene colpito da fotoni che poi rimbalzano e vengono rivelati dal nostro occhio

Noi “vediamo” la materia subatomica perché la colpiamo con particelle prodotte dagli acceleratori che rimbalzano sui rivelatori

Dal modo in cui rimbalzano riusciamo a capire molte caratteristiche delle particelle

Esperimento di Rutherford Ernest Rutherford 1909

Rivelatori: alla ricerca di tracce…

2 famiglie fondamentali: tracciatori e calorimetri Esistono molti diversi tipi di rivelatore, ottimizzati per rivelare e misurare tipi diversi di particelle ed informazioni fisiche diverse (energie, momenti…) 2 famiglie fondamentali: tracciatori e calorimetri Un sistema calorimetrico determina l’energia della particella La particella viene completamente assorbita A differenza di sistemi di tracciatura può rivelare anche particelle neutre (fotoni, neutroni) Un sistema di tracciatura determina la traiettoria della Particella Rivela solo particelle cariche. Se immerso in un campo magnetico B si riescono a determinare anche la carica Q ed il momento P La particella subisce una minima perdita d’energia nel sistema

Il segnale prodotto è proporzionale all’energia della particella: Un calorimetro è un rivelatore di particelle che misura l’energia di una particella particella incidente La particella interagendo con il calorimetro crea uno sciame e viene completamente assorbita Il segnale prodotto è proporzionale all’energia della particella: S = kE calorimetro Esistono 2 tipi di calorimetri: Calorimetri Elettromagnetici (rivelazione di elettroni, positroni e fotoni) Calorimetri Adronici (rivelazione di adroni carichi e neutri: p,n,π,K)

Tutti i grandi esperimenti di fisica delle particelle usano dei calorimetri. Spesso ne hanno uno di tipo elettromagnetico e uno di tipo adronico Calorimetro di KLOE Calorimetro di BaBar

Un grande esperimento di fisica delle particelle è costituito da diversi tipi di rivelatori uno dentro l’altro intorno al punto dove si scontrano le particelle. I rivelatori interni devono avere un’alta risoluzione spaziale per distinguere tracce molto vicine. I rivelatori esterni devono coprire superfici molto grandi Altezza 25 m ATLAS Peso 7000 ton Profondità 80 m Superficie rivelatori 6000 m2 Lunghezza 46 m

Tracciatore: particelle cariche Magnete: piega le tracce delle particelle cariche Calorimetro EM: elettroni, positroni e fotoni Calorimetro adronico: adroni carichi e neutri Rivelatore di Muoni: muoni

Analisi degli eventi Fotoni  Elettroni  Muoni  Pioni  Neutroni 

Elettronica di lettura Per analizzare i segnali dei rivelatori si usa una elettronica altamente specializzata. I segnali vengono poi inviati a complessi sistemi di acquisizione che li analizzano e li memorizzano Schede di acquisizione Schede di Front-End

L’elettronica di acquisizione deve anche filtrare i dati per ridurre 1 PB/s in uscita dal rivelatore a 1 PB/y da memorizzare su hard-disk L’analisi di questi dati viene fatta da centinaia di computer sparsi in tutto il mondo collegati tra loro in una rete: la GRID

E’ costituita da un recipiente metallico contenente un liquido surriscaldato e compresso. Una particella carica ionizza il liquido e lungo il percorso si formano bollicine che possono essere fotografate ottenendo una ricostruzione delle tracce. Camera a Bolle

Tracce fotografate in Camera a Bolle

Rivelatori a Scintillazione Questi rivelatori usano come elemento attivo dei materiali che hanno la proprietà di emettere luce visibile quando sono attraversati da particelle cariche Il fenomeno di Scintillazione è causato dalla eccitazione e successiva diseccitazione degli atomi dei materiali scintillanti Esistono vari tipi di materiali scintillanti: cristalli materiali plastici La scintillazione e’ utilizzata principalmente nei calorimetri

La luce di scintillazione prodotta dalla particella si propaga all’interno dello scintillatore e viene raccolta da Fotomoltiplicatori Nei laboratori di fisica delle particelle si fa un larghissimo uso di scintillatori plastici per rivelazione di raggi cosmici

Fotomoltiplicatori I fotomoltiplicatori sono rivelatori di luce. Sono costituiti da un tubo di vetro sotto vuoto in cui sono presenti un fotocatodo, un anodo e diversi dinodi. I fotoni colpiscono il fotocatodo che, per effetto fotoelettrico, emette elettroni che sono poi moltiplicati sui dinodi e raccolti sull’anodo. Sono rivelatori molto sensibili. Riescono a produrre un segnale elettrico anche se vengono colpiti da un solo fotone. Vengono spesso usati in combinazione con scintillatori

Fotomoltiplicatori

Rivelatori a Radiazione Cherenkov L’effetto Cherenkov consiste nell'emissione di radiazione elettromagnetica (luce) da parte di una particella in moto ad una velocità superiore alla velocità della luce nel mezzo attraversato. Analogia con un aereo che supera la barriera del suono (1238 km/h) Misurando l’angolo del cono di luce si ricava la velocità della particella

Rivelatori a Gas Questi rivelatori usano un gas come elemento attivo. Il gas viene ionizzato dalle particelle cariche, che creano coppie elettrone (e–) Ione (X+) (Ionizzazione primaria). Gli e– emessi (δ-rays) vengono accelerati applicando un campo elettrico e possono produrre a loro volta Ionizzazione Secondaria innescando una Moltiplicazione a Valanga Un tipico rivelatore a ionizzazione è costiruito da un cilindro riempito di gas con al centro un filo metallico posto ad alta tensione (HV ≈ 3000V) La ionizzazione e’ utilizzata principalmente nei rivelatori traccianti

Rivelatori a Ionizzazione a geometria cilindrica Il campo elettrico radiale E = k/r crea la valanga nelle immediate vicinanze del filo. La carica finale può arrivare fino a 108 volte la carica iniziale. Tale valore si chiama Guadagno de Rivelatore x è il cammino dell’elettrone α è il Coefficiente di Townsend

Rivelatori a Ionizzazione In presenza di campo elettrico gli elettroni viaggiano verso l’anodo (gli ioni verso il catodo), producendo un segnale elettrico Cambiando la tensione applicata si hanno diversi modi di funzionamento: Camera a Ionizzazione Contatore Proporzionale Contatore Geiger

Camere Proporzionali a Multifilo (MWPC) Il principio è quello dei rivelatori a gas a geometria cilindrica. Il rivelatore è formato da molti fili paralleli posti tra 2 catodi ad una distanza di ~ 2 mm. George Charpak, 1968 Premio Nobel 1992

Camere Proporzionali a Multifilo (MWPC) Ogni filo si comporta come un rivelatore indipendente. Il segnale elettrico si forma sul filo più vicino alla particella dando una informazione sulla sua posizione. KLOE

Rivelatori al Silicio Questi rivelatori usano un sottile strato di Silicio come elemento attivo. Il Silicio viene ionizzato dalle particelle cariche, che creano coppie elettrone (e) lacuna (h) (Ionizzazione primaria). In presenza di campo elettrico gli elettroni viaggiano verso l’anodo e le lacune verso il catodo, producendo un segnale elettrico. A differenza dei rivelatori a gas non c’è né Ionizzazione Secondaria né Moltiplicazione a Valanga.

Rivelatori al Silicio Sono rivelatori ad altissima risoluzione spaziale (50µm) usa ti spesso come rivelatori di vertice, in zone molto vicine al punto di collisione dei fasci di particelle LHCb BaBar

ATLAS CLEO III

Rivelatori a GEM I rivelatori a GEM sono rivelatori a gas inventati da Fabio Sauli nel 1997. Una GEM (Gas Electron Multiplier) è costituita da un sottile foglio di materiale plastico (kapton) ricoperto di Rame su entrambi i lati. Il foglio contiene tanti piccolissimi fori (diametro 70 µm, passo 140 µm).

Rivelatori a GEM Applicando una differenza di potenziale (400 V) tra le facce della GEM si crea un campo elettrico molto alto all’interno dei fori, che innesca la moltiplicazione a valanga degli elettroni. Un guadagno di 106 si può ottenere con una Tripla-GEM Conversion & Drift Transfer 1 Transfer 2 Induction Cathode GEM 1 GEM 2 GEM 3 Anode Read-out 3 mm 2 mm Un rivelatore a Tripla-GEM è composto da un Catodo, 3 GEM e un Anodo dove si forma il segnale.

Rivelatori di vertice a GEM Cilindrica Le GEM si possono adattare a diverse geometrie. Uno sviluppo interessante è la realizzazione di rivelatori a GEM Cilindrica. Un Tracciatore Interno fatto da rivelatori a GEM Cilindrica verrà installato nel 2009 nel nuovo KLOE 3 mm 2 mm Cathode GEM 1 GEM 2 GEM 3 Anode Read-out Conversion & Drift Transfer 1 Transfer 2 Induction

PET (Positron Emission Tomography) Si inietta un radiofarmaco nel corpo del paziente e si rivelano i fotoni emessi Tomografo di rivelatori

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PET (Positron Emission Tomography) Zone diverse del cervello mostrano attività quando si legge o si ascolta Lo sviluppo sui rivelatori ha contribuito a migliorare la risoluzione delle immagini