Laboratori Nazionali di Frascati

Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Ente pubblico che promuove, coordina ed effettua la ricerca scientifica nel campo della fisica subnucleare, nucleare ed astroparticellare nonché la ricerca e lo sviluppo tecnologico necessari alle attività in tali settori, in stretta collaborazione con lUniversità e nel contesto della collaborazione e del confronto internazionale

Legnaro Laboratori del Sud (Catania) Gran Sasso 19 Sezioni 11 Gruppi collegati 4 Laboratori Nazionali VIRGO-EGO E uropean G ravitational O bservatory

NAUTILUS ATLAS Auditorium ADA e ADONE KLOE DA NE Centro di Calcolo FISA BTF DA NE-L FINUDA DEAR Laboratori Nazionali di Frascati Data di nascita: 1955

Studi sulla struttura intima della materia Ricerca di onde gravitazionali Elaborazione di modelli teorici Sviluppo e costruzione di rivelatori di particelle Studio e sviluppo di tecniche acceleratrici Studi di materiali e ricerche biomediche con luce di sincrotrone Attività dei LNF Sviluppo e supporto di sistemi di calcolo e reti

FISICA DELLE PARTICELLE ELEMENTARI Di che cosa e fatto il mondo? Quali sono le leggi fondamentali che lo regolano?

N N P N P P ATOMO DI LITIO e- orbitali interni orbitale esterno ~ 10 cm = cm nucleo ~10 cm = cm -13 UNA PRIMA RISPOSTA: L ATOMO

PROTONE E NEUTRONE NON SONO ELEMENTARI P U U D U D D N QUARK MA SONO FORMATI DA QUARK UPCON CARICA+2/3 DOWNCON CARICA -1/3

SONO STATE SCOPERTE CENTINAIA DI NUOVE PARTICELLE, PER LO PIUINSTABILI + - e e in circa 10 s -6 ( INTERAZIONE DEBOLE) 0 in circa 10 s -16 ( INTERAZIONE ELETTROMAGNETICA) in circa 10 s -23 ( INTERAZIONE FORTE) Non possono essere tutte elementari!

RELATIVITA + MECCANICA QUANTISTICA = ANTIMATERIA PARTICELLA ANTIPARTICELLA ELETTRONE POSITRONE QUARK ANTIQUARK PROTONE ANTIPROTONE - UU U - D - U D Q = +2/3 +2/3 -1/3 = +1Q = -2/3 -2/3 +1/3 = -1

IL MODELLO STANDARD LE PARTICELLE DI MATERIA QUARKS Q = +2/3 Up Charm Top Q = -1/3 Down Strange Bottom LEPTONI Q = -1 e Q = 0 e CON LE RELATIVE ANTIPARTICELLE

IL MODELLO STANDARD I VETTORI DELLE INTERAZIONI INTERAZIONE ELETTROMAGNETICA W + W - Z 0 INTERAZIONE DEBOLE g (8 tipi) INTERAZIONE FORTE

I primi fasci di particelle per gli studi di fisica nucleare e subnucleare erano sorgenti naturali: particelle alfa, raggi cosmici La capacità di rompere le barriere elettrostatiche intorno ai nuclei aumenta con lenergia: lenergia massima delle particelle alfa è solo 10 MeV. I raggi cosmici, anche quando molto energetici, non sono prevedibili: servono fasci di particelle ad alta energia e ripetibilità per studi sistematici

ACCELERATORI DI PARTICELLE I fisici hanno sviluppato tecniche per produrre in laboratorio ed accelerare fasci di particelle di vario tipo (elettroni, protoni, pioni ecc…) ad energie ed intensita sempre piu elevate Un fascio di particelle che colpisce un bersaglio o collide con un altro fascio produce reazioni nucleari, annichilazioni e creazione di nuove particelle Lacceleratore che visiterete oggi (DA NE) e un collisionatore elettroni-positroni di energia non molto elevata ma di elevatissima intensita

Acceleratori nel mondo Gli acceleratori usati per la ricerca pura sono costruiti ai limiti della tecnologia attuale e sono anchessi ricerca tecnologica.

DA NE

OSSERVARE LE PARTICELLE: I RIVELATORI I rivelatori di particelle sono degli strumenti che permettono di misurare i segnali rilasciati al passaggio della particella in un mezzo. Esiste una grande quantità di rivelatori diversi, ognuno ottimizzato per effettuare delle misure specifiche. In generale i rivelatori vengono grossolanamente suddivisi in 3 grandi categorie: contatori (frequenza) traccianti (traiettoria,carica, momento) calorimetri (energia, tempo di volo) Combinando le informazioni di più rivelatori si ottengono informazioni più dettagliate come massa, velocità, tipo di particella

Struttura di un General purpose experiment

Calorimetro Pb- Fibre Scintillanti ( barrel + endcap, spessore15 X 0, ermetico 98 %) Camera a deriva Miscela di He 13K celle di drift Ferro per chiusura linee di campo Bobina Super Conduttrice B = kG Regione di interazione: Calorimetri su quadrupoli, Al-Be beam-pipe sferica IL RIVELATORE KLOE

Decadimenti K + K – 49.1% K L K S 34.3% 15.4% 1.3% (K S ) = 6 mm ( = 90 ps) (K L ) = 3.5 m ( =51.7 ns) Cammini liberi medi IL RIVELATORE KLOE Attenzione dellesperimento: decadimento dei K neutri Grandi dimensioni del rivelatore! Principali Modi di decadimento K S π+π-π+π- π0π0π0π0 K L π+π- π0π+π- π0 π 0 π 0 π 0 π ± π ± e π+π-π+π- π0π0π0π0 Necessita di un tracciatore e di un calorimetro

Esempio di K S K L

Produzione di segnali Rivelatore Selezione veloce segnali interessanti Trigger/Elettronica Scrittura su nastro dei dati interessanti Sistema DAQ Ricostruzione delle variabili fisiche Computing Offline degli eventi (impulsi, energie…) Analisi fisica degli eventi Studente di Dottorato DIAGRAMMA DI FLUSSO DI UN ESPERIMENTO

IL FUTURO DELLA FISICA DELLE PARTICELLE Sebbene il Modello Standard sia una teoria di gran successo, molti interrogativi rimangono ancora senza risposta Perche il mondo e fatto di materia (e non di antimateria)? Che cosa determina la massa dei quark dei leptoni e dei bosoni vettoriali? Esistono principi di unificazione tra le varie interazioni fondamentali e che ruolo gioca la gravita? Che cosa e la Materia Oscura, di cui luniverso sembra essere permeato?