Danilo Domenici Rivelatori di Particelle

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 allacquisizione dati) 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

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 unenergia 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. Molto generalmenete un rivelatore può essere pensato come un accumulatore di energia elettrica. La molla è un accumulatore di energia meccanica: se caricata possiede unenergia 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 allenergia 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. 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 allenergia 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 dallelettronica di lettura. Il tempo morto può ridurre lefficienza se il rivelatore non è in grado di rivelare una particella perchè ancora impegnato a processare levento precedente. Questo fenomeno aumenta quanto più è elevata la frequenza di arrivo delle particelle. 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 dallelettronica di lettura. Il tempo morto può ridurre lefficienza se il rivelatore non è in grado di rivelare una particella perchè ancora impegnato a processare levento precedente. Questo fenomeno aumenta quanto più è elevata la frequenza di arrivo delle particelle.

sorgente bersaglio rivelatore Locchio umano è un rivelatore di particelle: i fotoni 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 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…

Interazione Radiazione - Materia Elettroni: urti atomici (f. em) + irraggiamento (f. em) Fotoni: produzione di coppie (f. em) Protoni: urti atomici (f. em) + urti nucleari (f. forte) Neutroni: urti nucleari (f. forte) Muoni: urti atomici (f. em) Pioni: urti nucleari (f. forte) Kaoni neutri: urti nucleari (f. forte) Kaoni carichi: urti nucleari (f. forte) + urti atomici (f. em) Elettroni: urti atomici (f. em) + irraggiamento (f. em) Fotoni: produzione di coppie (f. em) Protoni: urti atomici (f. em) + urti nucleari (f. forte) Neutroni: urti nucleari (f. forte) Muoni: urti atomici (f. em) Pioni: urti nucleari (f. forte) Kaoni neutri: urti nucleari (f. forte) Kaoni carichi: urti nucleari (f. forte) + urti atomici (f. em) Particelle stabili Particelle che decadono con τ > s Tutte le altre particelle (con τ < s) non sono rivelabili direttamente, ma attraverso i loro prodotti di decadimento

2 famiglie fondamentali: tracciatori e calorimetri Tracciatori: usano gli urti atomici (cioè con la nube elettronica) per campionare le tracce delle particelle cariche La particella esce dal rivelatore non perturbata Tracciatori: usano gli urti atomici (cioè con la nube elettronica) per campionare le tracce delle particelle cariche La particella esce dal rivelatore non perturbata Calorimetri Adronici: usano gli urti nucleari (interazione forte con i nuclei) per rivelare le particelle adroniche (cariche e neutre) Calorimetri Elettromagnetici: usano il fenomeno dello sciame elettromagnetico (causato dallirraggiamento e dalla produzione di coppie) per rivelare elettroni e fotoni La particella viene completamente assorbita Calorimetri Adronici: usano gli urti nucleari (interazione forte con i nuclei) per rivelare le particelle adroniche (cariche e neutre) Calorimetri Elettromagnetici: usano il fenomeno dello sciame elettromagnetico (causato dallirraggiamento e dalla produzione di coppie) per rivelare elettroni e fotoni La particella viene completamente assorbita

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 laltro intorno al punto dove si scontrano le particelle. I rivelatori interni devono avere unalta risoluzione spaziale per distinguere tracce molto vicine. I rivelatori esterni devono coprire superfici molto grandi Un grande esperimento di fisica delle particelle è costituito da diversi tipi di rivelatori uno dentro laltro intorno al punto dove si scontrano le particelle. I rivelatori interni devono avere unalta risoluzione spaziale per distinguere tracce molto vicine. I rivelatori esterni devono coprire superfici molto grandi ATLAS Altezza 25 m Lunghezza 46 m Peso 7000 ton Profondità 80 m Superficie rivelatori 6000 m 2

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 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

Fotoni Elettroni Muoni Pioni Neutroni Analisi degli eventi

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 Front-End Schede di acquisizione

Lelettronica 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 Lanalisi di questi dati viene fatta da centinaia di computer sparsi in tutto il mondo collegati tra loro in una rete: la GRID

Camera a Bolle 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. 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.

Tracce fotografate in Camera a Bolle

Rivelatori a Scintillazione 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 Esistono vari tipi di materiali scintillanti: cristalli materiali plastici Questi rivelatori usano come elemento attivo dei materiali che hanno la proprietà di emettere luce visibile quando sono attraversati da particelle cariche La scintillazione e utilizzata principalmente nei calorimetri

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

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 sullanodo. 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 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 sullanodo. 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 Leffetto 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. Misurando langolo del cono di luce si ricava la velocità della particella Misurando langolo del cono di luce si ricava la velocità della particella Analogia con un aereo che supera la barriera del suono (1238 km/h)

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 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 La ionizzazione e utilizzata principalmente nei rivelatori traccianti La ionizzazione e utilizzata principalmente nei rivelatori traccianti 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)

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 10 8 volte la carica iniziale. Tale valore si chiama Guadagno de Rivelatore Il campo elettrico radiale E = k/r crea la valanga nelle immediate vicinanze del filo. La carica finale può arrivare fino a 10 8 volte la carica iniziale. Tale valore si chiama Guadagno de Rivelatore x è il cammino dellelettrone α è il Coefficiente di Townsend x è il cammino dellelettrone α è il Coefficiente di Townsend

In presenza di campo elettrico gli elettroni viaggiano verso lanodo (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 In presenza di campo elettrico gli elettroni viaggiano verso lanodo (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 Rivelatori a Ionizzazione

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. 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

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. 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. Camere Proporzionali a Multifilo (MWPC) 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 lanodo e le lacune verso il catodo, producendo un segnale elettrico. A differenza dei rivelatori a gas non cè né Ionizzazione Secondaria né Moltiplicazione a Valanga. 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 lanodo e le lacune verso il catodo, producendo un segnale elettrico. A differenza dei rivelatori a gas non cè né Ionizzazione Secondaria né Moltiplicazione a Valanga.

Rivelatori al Silicio LHCb BaBar 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

CLEO III ATLAS

Rivelatori a GEM I rivelatori a GEM sono rivelatori a gas inventati da Fabio Sauli nel 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). I rivelatori a GEM sono rivelatori a gas inventati da Fabio Sauli nel 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 allinterno dei fori, che innesca la moltiplicazione a valanga degli elettroni. Un guadagno di 10 6 si può ottenere con una Tripla-GEM Applicando una differenza di potenziale (400 V) tra le facce della GEM si crea un campo elettrico molto alto allinterno dei fori, che innesca la moltiplicazione a valanga degli elettroni. Un guadagno di 10 6 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 3 mm 2 mm Cathode GEM 1 GEM 2 GEM 3 Anode Read-out 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

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

Si ottengono immagini sulla funzionalità dellorganismo PET (Positron Emission Tomography)

Lo sviluppo sui rivelatori ha contribuito a migliorare la risoluzione delle immagini Zone diverse del cervello mostrano attività quando si legge o si ascolta