Acceleratori e rivelatori di particelle Hands on Physics Acceleratori e rivelatori di particelle dott. Francesco Perfetto Università degli Stud di Napoli “Federico II” & INFN Napoli, 14 Febbraio 2012

Introduzione Acceleratori Rivelatori Quali sono gli strumenti di lavoro di un fisico che studia le particelle elementari ? Acceleratori Perché gli acceleratori ? Generazione delle particelle Tipologie di acceleratori Modo di utilizzo Rivelatori Tipologie di rivelatori Tracciatori Calorimetri Apparati per esperimenti Esempi di rivelazione 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

Premessa Qual e il “rivelatore” più familiare ? L’occhio 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 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

Premessa Altri modi per “vedere” ? Es.: per sottrazione Es.: infrarossi visibile 400 700 nm 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

Premessa ... altri modi per “vedere” Ultrasuoni da 10 a 1/1000 nm Ultrasuoni Luce “energetica” (raggi X) Perché si usano i raggi X e gli ultrasuoni e non la luce ed il suono “normali” per “illuminare” ? 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

Premessa Noi “vediamo” la materia subatomica perché la colpiamo con particelle prodotte dagli acceleratori che rimbalzano sui rivelatori Esattamente nello stesso modo vediamo la materia nucleare 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

Esempio Dal modo in cui rimbalzano riusciamo a capire molte caratteristiche delle particelle 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

Esperimento di Rutherford alfa da radio solfuro di zinco Ernest Rutherford 1909 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

Arghhh !!! Sottotitolo: Un pizzico di Meccanica Quantistica Una particella si comporta anche come un’onda (cioè come la luce): la sua lunghezza d’onda è tanto più piccola quanto più è grande la sua energia. Lunghezza d’onda piccola = capacità di “infilarsi” in spazi piccoli = possibilità di esplorare cose piccole più è microscopico il mondo che vogliamo esplorare, più deve essere grande l’energia delle particelle che usiamo per osservarlo 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

{ Perché “alte energie” ? FATTI SPERIMENTALI λ=c/ν= hc/E La luce si comporta anche come un insieme di corpuscoli di energia E = hν FATTI SPERIMENTALI Le particelle si comportano anche come onde di frequenza ν = E/h λ=c/ν= hc/E h = 6.62 • 10-34 J • s se E cresce λ diminuisce Per esplorare l’infinitamente piccolo E deve diventare molto grande 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

Definizione eV 1 eV è l’energia cinetica acquistata da un elettrone sottoposto ad una differenza di potenziale di 1 Volt 1012 eV = TeV 109 eV = GeV 106 eV = MeV 103 eV = keV 1 eV rappresenta un’energia molto piccola Lampadina da 100 W accesa per 1 ora 360.000 joules 4.500.000 joules 52.000.000 joules Auto da corsa v = 370 km/h Caldaia 12.600 kcal in funzione per un’ ora 2.24•1024 eV 28.•1024 eV 324•1024 eV 1 eV = 1V • 1.602•10-19 C = 1.602•10-19 joules 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

Ha senso spendere miliardi di euro per costruire LHC ??? La “TeV-ape” Consideriamo un’ape che vola percorrendo 50 cm ogni 10 secondi mape = 0.0001 kg joules vape = 0.05 ms-1 K = .78 TeV Ha senso spendere miliardi di euro per costruire LHC ??? Assumiamo che la TeV-ape sia fatta al 100% di 612C Na = 6.022•1023 Natomi/mole Natomi = m∙Na/pesoatomico = 5•1021 Nnucleoni = 6•1022 I protoni accelerati in LHC dovrebbero arrivare fino a 7 Tev 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

Da dove prendiamo le particelle? Piovono dal cielo! I primi fasci di particelle per gli studi di fisica nucleare e subnucleare erano costituiti o da particelle α (E = 10 MeV) o dai raggi cosmici Protoni e fotoni primari provenienti dallo spazio generano particelle secondarie nell’urto con i nuclei dei gas atmosferici (100 particelle a m2 sul livello del mare) Entrambe le soluzioni non sono soddisfacenti. IDEA: e se costruissimo una macchina che fornisca l’energia necesaria alle particele ? Esistono raggi cosmici molto energetici ma rari ad arrivo casuale ACCELERATORI 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

Generazione di particelle L’esempio più semplice di generatore di elettroni è un filamento caldo, come quello di una lampadina Gli elettroni sono estratti dal catodo e, viaggiando verso l’anodo positivo, acquistano un’energia uguale alla loro carica moltiplicata per la differenza di potenziale applicata tra catodo e anodo I protoni sono il nucleo dell’atomo di idrogeno. Applicando la differenza di potenziale al gas di idrogeno si accelerano i protoni La differenza di potenziale tra due elettrodi viene usata per accelerare le particelle. L’energia massima raggiungibile è data dal limite di tensione oltre il quale si possono avere scariche elettriche ΔE = qΔV 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

Come le facciamo muovere? La forza di Lorentz descrive il moto di una particella in un acceleratore { { CURVATURA E FOCHEGGIAMENTO ACCELERAZIONE 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

Come le facciamo muovere? Campi elettrici per accelerare Campi magnetici per curvare Impulso maggiore Impulso minore S N E=100 eV Carica opposta + - 100 V 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

Acceleratori Esistono diversi tipi di acceleratori: Lineari Circolari 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

Come funziona un acceleratore? 7000 miliardi di volt sono 5000 miliardi di batterie. 10 20 milioni di volt a colpi. Calamite di casa sarebbe 100 Km invece di 23 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

Tipologie di acceleratori Circolari Vantaggi: Le particelle attraversano più volte la stessa cavità. Ad ogni giro tali pacchetti acquistano energia grazie al campo elettrico accelerante (a radiofrequenza) Svantaggio: perdono energia a causa della RADIAZIONE DI SINCROTRONE EMESSA (a sua volta costituisce una sonda utilizzata in vari campi) nei magneti curvanti. Una particella carica che viaggia lungo una traiettoria curva perde energia 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

Come funziona un acceleratore? Qual è l’acceleratore più comune? Il Televisore !!!!!!! Deflettore magnetico pilotato dalla Rai o da chi vende questi ignobili servizi… E = 20000 eV 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

Modo di utilizzo Bersaglio fisso Acceleratore Rivelatori Esperimento di Rutherford 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

Modo di utilizzo Collisori Nel 1961 Bruno Touschek ebbe l’dea geniale di utilizzare lo stesso acceleratore per far collidere materia e antimateria. Tutta l’energia della collisione è disponibile ad essere convertita E=29 GeV E=900 GeV 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

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LHC al CERN (dal 2008) Il collisore protone-protone a più alta energia: 14000 GeV 10 Febbraio 2010 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

LHC: The Large Hadron Collider LHC è l'acceleratore di particelle più grande e potente mai realizzato dall'uomo, progettato per far collidere protoni ad un'energia nel centro di massa di 14 TeV, mai raggiunta fino ad ora in laboratorio. I componenti più importanti del LHC sono gli oltre 1600 magneti superconduttori raffreddati alla temperatura di 1.9 K (- 271,25 °C) da elio liquido superfluido che realizzeranno un campo magnetico di circa 8 Tesla, necessario a mantenere in orbita i protoni all'energia prevista. Il sistema criogenico di LHC è il più grande che esista al mondo oltre ad essere il luogo massivo più freddo dell'universo. 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

Rivelatori Bene, abbiamo fatto sbattere due particelle. E ora? Posizione e direzione del moto Carica elettrica Energia Impulso Massa Tempi di vita …viene fuori un sacco di roba. Cosa ci interessa misurare? 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

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) elettronica di lettura area attiva 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) 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

Rivelare le particelle Tutte le particelle, attraversando la materia, perdono una parte della loro energia. Particelle cariche: urti anelatici con gli elettroni degli atomi che incontrano; Tutti gli adroni (carichi e neutri) per reazioni nucleari con i nuclei che incontrano; Elettroni emettono luce “frenando” Fotoni possono creare coppie e+ e- Neutrini hanno solo l’interazione debole.... “sfuggono” ai nostri rivelatori lasciando “poche tracce”! Muoni perdono poca energia, sono più penetranti 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

Rivelare le particelle Alla base di tutti i rivelatori c’è il principio di convertire questa energia rilasciata in “segnali” concreti da “rivelare”. Tecniche diverse a seconda del tipo di particella da rivelare. Ad esempio un rivelatore di fotoni deve essere necessariamente diverso da un rivelatore di muoni. 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

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 perché 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. 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

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. 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

Emulsioni Fotografiche Nei primi esperimenti con i raggi cosmici si inviavano lastre fotografiche sui palloni aerostatici. Le particelle cariche “impressionano” le lastre fotografiche lasciando una scia del loro passaggio. 0,1 mm 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

Scintillatori Per misure di tempo errore ~ns (10-9 sec) Una particella carica genera una luce scintillante in particolari cristalli fotomoltiplicatore Scintillatore guida di luce Per misure di tempo errore ~ns (10-9 sec) 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

Rivelatori Sistema calorimetrico 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 2 famiglie fondamentali: tracciatori e calorimetri Sistema calorimetrico I singoli punti possono essere prodotti mediante diverse tipologie di rivelatori di tracciamento. Es.: 1) rivelatori a gas 2) rivelatori al silicio Se immerso in un campo magnetico le particelle cariche curvano ed il loro raggio di curvatura è legato al loro impulso R(m) = p(GeV)/0.3B(T) Si determina anche la carica della particella ne determina la traiettoria 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

d = v·(tf – ti) tf ti Rivelatori a Gas Gas Le particelle cariche ionizzano il gas d = v·(tf – ti) Gli elettroni prodotti vengono raccolti sull’anodo Gas tf Dal tempo di “deriva” si misura lo spazio percorso ti scintillatore 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

Camere a filo Camera a fili di KLOE Prof. Charpak Premio Nobel del 1992 per l’invenzione delle camere a multifilo (1968) Camera a fili di KLOE 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

Calorimetri Un calorimetro è un rivelatore di particelle che misura l’energia di una particella calorimetro 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 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) 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

Esperimento ai collider Struttura a “cipolla” Tracciatori Calorimetro per elettroni e fotoni Calorimetro per adroni Tracciatori per muoni Magneti per curvare 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

Esperimento ai collider 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

Esperimento ai collider 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

Cosa manca? I neutrini ! Interagiscono così poco con la materia che sono capaci di attraversare indisturbati la terra da parte a parte Energia e Impulso si conservano! Si possono però ottenere informazioni su di loro per differenza tra l’energia e impulso iniziale e quelle misurate 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

L’esperimento ATLAS 7000 tonnellate di peso La torre Eiffel pesa 10000 tonnellate 3000 km di cavi Coprono la distanza Napoli Parigi e ritorno 100 milioni di canali di elettronica per la raccolta dei dati 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

L’esperimento ATLAS Partecipazione Italiana 12 sezioni INFN I numeri: 172 Scientific Authors 10 % circa della collaborazione la maggiore comunità europea I numeri: 35 Nazioni 164 Instituti di Ricerca 1800 people circa 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

L’eperimento ATLAS 2008 Prof. Higgs 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

L’esperimento ATLAS 2008 Prof. Hawking 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

L’esperimento ATLAS 2008 Angela Merkel 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

L’esperimento ATLAS 2008 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

Utilizzo di macchine acceleratrici per la cura dei tumori 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

Con altro tipo di fotoni. 14 Febbraio 2012 F. Perfetto

Conclusioni Gli acceleratori sono strumenti fondamentali per produrre e studiare le particelle elementari Alte energie servono sia per produrre particelle nuove con masse maggiori che per indagare a distanze sempre più piccole Le tecniche di rivelazione delle particelle elementari sono applicate anche alla medicina e alla biologia (TAC, PET, RMN...) Sviluppo di elettronica e software di frontiera 14 Febbraio 2012 F. Perfetto