Studio delle riflessioni multiple di protoni ultrarelativistici in Università degli Studi di Perugia Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali Corso di Laurea Specialistica in Fisica Tesi di Laurea Studio delle riflessioni multiple di protoni ultrarelativistici in deflettori cristallini Relatore: Laureando: Dott. Giovanni Ambrosi Matteo Duranti

Sommario Nel corso di questa presentazione parleremo di: problemi di collimazione per il LHC fenomenologia di channeling e volume reflection per particelle cariche in materiali cristallini applicazione dei fenomeni fisici nella fisica delle alte energie collaborazione H8RD22 MQM7: deflettore multi-cristallo a controllo remoto analisi dei dati sperimentali 12/09/2008 Matteo Duranti 2

Collimazione Al LHC verranno fatti collidere fasci di protoni di 7 TeV/c e fasci di ioni Piombo di 574TeV/c. Uno dei problemi tecnologici più rilevanti per il raggiungimento delle prestazioni nominali riguarda il sistema di collimazione: 12/09/2008 Matteo Duranti

Pulizia necessaria ad LHC R. Assman e W. Scandale, da un seminario per ALICE (Aprile 2007) Energia [GeV] Tasso di perdita (10 ore di vita media) [p/s] Limite di Quenching [p/s·m] Richiesta di pulizia 450 (SPS) 8.4 ·109 7.0 ·108 92.6% 7000 (LHC) 7.6 ·106 99.91% 12/09/2008 Matteo Duranti

Collimazione con cristalli Assorbitori di materiale amorfo deflessioni casuali dell’alone difficoltà nel posizionamento degli assorbitori secondari Tradizionale: Materiale amorfo,  deflessione “casuale” Proposta: Materiale cristallino  deflessione “controllata” Effetti direzionali: 12/09/2008 Matteo Duranti 5

Potenziale Reticolare In un un materiale cristallino il campo medio coulombiano tra due piani reticolari può essere approssimato con un canale parabolico: L’energia potenziale per una particella carica positivamente all’interno del canale può essere scritto come: 12/09/2008 Matteo Duranti

Channeling: angolo critico Una particella incidente con un piccolo angolo rispetto agli assi di simmetria del cristallo può essere confinata tra due piani cristallini Le condizioni cinematiche per il confinamento dipendono dal momento trasverso e dall'altezza della buca di potenziale: In Si, W, Ge: Angolo critico di Lindhard 12/09/2008 Matteo Duranti

Channeling Il moto risultante è la composizione di un moto longitudinale e di un moto oscillatorio. Per la parte oscillatoria: 12/09/2008 Matteo Duranti

Cristallo curvato L'idea di Tsyganov ('70) L Utilizzo di cristalli curvati come deflettori, con angolo di deflessione: Con un campo magnetico (per particelle di 400 GeV/c e L=400μm): 12/09/2008 Matteo Duranti

Volume reflection Per una particella proveniente dalla direzione di convessità del cristallo: L’angolo di deflessione è: L’accettanza angolare è: L 12/09/2008 Matteo Duranti

Estrazione/Separazione di fasci Tecnica di estrazione tramite cristalli curvati: 12/09/2008 Matteo Duranti

Estrazione di fasci - IHEP All’ acceleratore U-70 dell’IHEP di Protvino, con fasci di protoni di 70 GeV/c, verifica sperimentale della teoria per: 1) Efficienza di estrazione in funzione della lunghezza del cristallo 2) Efficienza di estrazione in funzione dell’energia del fascio 12/09/2008 Matteo Duranti

Estrazione di fasci - CERN Proporzionale all’efficienza di estrazione in funzione dell’orientazione del cristallo per fasci di ioni Pb di 22 TeV (270GeV per nucleone carico) 12/09/2008 Matteo Duranti

Separazione di fasci – NA48 Misura dei parametri della violazione CP nel sistema dei kaoni neutri tramite il doppio rapporto di decadimento: Inserimento di un fascio attenuato di protoni nella linea dei KL per la produzione dei KS Riduzione del fascio ~ 10-4 Emittanza del fascio ben definita in entrambe i piani 12/09/2008 Matteo Duranti

La collaborazione H8RD22 Lo scopo della collaborazione è la misura di precisione delle grandezze fisiche collegate ai fenomeni di channeling e volume reflection (angolo di deflessione, accettanza angolare, efficienza) Per la prima volta: Tracciamento di singola particella con rivelatori al silicio di alta risoluzione spaziale (O(10μm)) Misura dell’effettivo angolo di deflessione (telescopi in ingresso ed uscita) Goniometro di elevata risoluzione angolare (~ 1μrad) 12/09/2008 Matteo Duranti

Setup per ioni Riproduzione delle elevate condizioni di ionizzazione tramite l’utilizzo di un fascio laser di elevata intensità MIP: lato-p lato-n 3500 MIP: lato-p lato-n 12/09/2008 Matteo Duranti

(Mini) Sommario dispositivi con cristalli curvati procedura di analisi dati prestazioni di un multi-deflettore con cristalli non allineati prestazioni con cristalli allineati prestazione come possibile collimatore 12/09/2008 Matteo Duranti 17

Dispositivi Piegatura del cristallo macroscopica Piegatura microscopica di precisione (forze “anticlastiche”) Strip Quasi-mosaico 12/09/2008 Matteo Duranti

Multi-cristalli Aumento della deflessione angolare tramite più cristalli in sequenza: Angolo di deflessione: Efficienza di deflessione: MQM7 12/09/2008 Matteo Duranti

Principio della misura Setup sperimentale per la presa dati di Novembre 2007: 12/09/2008 Matteo Duranti

Allineamento Laser Allineamento laser del cristallo con precisione di ~ 300 μrad: Il pentaprisma riflette la luce del laser in una direzione ortogonale a quella di incidenza 12/09/2008 Matteo Duranti

Scan angolare veloce Ricerca della zona di incidenza angolare per la quale sono presenti gli effetti fisici di deflessione freccetta mostrando come la scansione sia di un milliradiante 1μrad 12/09/2008 Matteo Duranti

Scansione angolare 12/09/2008 Matteo Duranti

Cristalli non allineati Scansione angolare di 10μrad: 12/09/2008 Matteo Duranti

Non allineati - VR Sezioni di 2.5μrad: - per l’efficienza: tracce deflesse all’interno di 3σ intorno al valore medio la bontà del “fit” è controllata tramite la larghezza delle gaussiane θ1,2 [μrad] 21.3±(0.2)st θ3 [μrad] 12.33±(0.09)st θ4 [μrad] 10.77±(0.06)st θ5 [μrad] 12.26±(0.08)st 12/09/2008 Matteo Duranti

Non allineati - Channeling Sezioni di 5μrad: - la deflessione è misurata all’angolo del goniometro per cui si ha massima efficienza θ1 [μrad] -114.4±(0.9)st θ2 [μrad] -100.4±(0.9)st θ3 [μrad] -108.9±(1.0)st θ4 [μrad] - 96.9±(0.8)st θ5 [μrad] - 91.5±(0.9)st 12/09/2008 Matteo Duranti

Cristalli allineati Scansione angolare di 5μrad: 12/09/2008 Matteo Duranti

Uniformità e Torsione Muovendosi lungo il profilo del fascio: 12/09/2008 Matteo Duranti

Uniformità e Torsione Muovendosi lungo il profilo del fascio: 12/09/2008 Matteo Duranti

Cristalli allineati Scansione angolare di 5μrad: 12/09/2008 Matteo Duranti

Allineati - VR Sezioni di 2.5μrad: - deflessione del dispositivo per volume reflection: 51.74 μrad ≈ (21.3 + 12.33 + 10.77 + 12.26) μrad - in un intervallo angolare di incidenza di ~ 40μrad si ha un’ efficienza di deflessione > 90% 12/09/2008 Matteo Duranti

Collimazione inserire deltaalfa su plot 12/09/2008 Matteo Duranti

Collimazione 12/09/2008 Matteo Duranti

Collimazione Assorbitori di materiale amorfo deflessioni casuali dell’alone difficoltà nel posizionamento degli assorbitori secondari tradizionale: channeling: volume reflection: multi volume reflection: 12/09/2008 Matteo Duranti

Conclusioni In questo lavoro di tesi: preparazione del set-up per misure con ioni Pb partecipazione all’installazione e presa dati dei run di Maggio e Novembre 2007 analisi dati per il deflettore multicristallo MQM7: conferma delle caratteristiche degli effetti di channeling e volume reflection per singoli cristalli misura di precisione degli effetti di volume reflection per un deflettore multicristallo: θv=51.74 μrad ed efficienza > 90% in un intervallo di 40μrad prestazione di un deflettore multicristallo come elemento base di un eventuale sistema di collimazione alcuni risultati di questa analisi sono parte integrante di un articolo della collaborazione H8RD22 sottomesso per la pubblicazione a PRL 12/09/2008 Matteo Duranti

Fascio Profili del fascio nelle due coordinate trasverse: Angolo di incidenza nel cristallo: 12/09/2008 Matteo Duranti

Dechanneling - Volume Capture dechanneling / feed-in volume capture 12/09/2008 Matteo Duranti

Volume reflection L’angolo di deflessione è: Con un campo magnetico (per particelle di 400 GeV/c e L=400μm): 12/09/2008 Matteo Duranti