Physics MasterClasses 2013 RIVELATORI DI PARTICELLE ‘Vediamo’ le particelle studiando gli effetti che producono attraversando la materia. 29/03/2017 L. La Rotonda

INDICE Esempi di rivelatori (non per LHC ! ) Cosa misuriamo Esperimento ATLAS I Rivelatori: Calorimetri Tracciatori Analisi dei dati 29/03/2017 L. La Rotonda

Un Esempio di Rivelatore : Camera a Bolle(1950) Il principio di funzionamento si basa sui processi di ionizzazione: Una particella carica che attraversa la materia cede energia ad atomo, un elettrone viene espulso e si crea una coppia elettrone libero-ione positivo La camera contiene un liquido al punto di ebollizione. In corrispondenza degli ioni creati dal passaggio delle particelle cariche si formano delle bolle, che evidenziano la traccia. 29/03/2017 L. La Rotonda

La Conservazione dell’ Impulso Impulso stato iniziale=Impulso stato finale M1V1 = M2V2 + M3V3 M1V1 = M2V2 cosθ + M3V3 cos α (asse X) 0 = M2V2 sinθ - M3V3 sin α (asse Y) L’ impulso mancante e’ associato al neutrino. Un alto valore di Impulso/Energia mancanti e’ il primo criterio per selezionare gli eventi : W  e/μ + ν 29/03/2017 L. La Rotonda

Cosa misurare per ogni particella ad LHC? (1) La maggior parte delle particelle prodotte ad LHC sono instabili. Se non vivono abbastanza per raggiungere i rivelatori vengono individuate dai loro decadimenti. W  μ/e + ν Velocità della luce: c = 3 108 m/s Vita media (τ) = tempo medio che trascorre prima che del decadimento. W τ = 3 10-25 s S = c τ = 9 10-17 m μ (muone) τ = 2.2 10-6 s S = c τ = 660 m e (elettrone) stabile ν (neutrino) stabile - non lascia traccie – rivelazione indiretta. 29/03/2017 L. La Rotonda

Cosa misurare per ogni particella ad LHC?(2) Posizione Direzione del moto Carica Energia/impulso Identificate le particelle e le loro caratteristiche ricostruiamo l’ evento complessivo. W  μ + ν 29/03/2017 L. La Rotonda

I Rivelatori in ATLAS In ATLAS abbiamo 2 tipi di rivelatori: CALORIMETRI TRACCIATORI 29/03/2017 L. La Rotonda

ATLAS (1) I rivelatori sono posti uno dentro l’altro intorno al punto dove si scontrano le particelle. 46m 22m Peso 7000 ton Superficie rivelatori 6000 m2 29/03/2017 L. La Rotonda

ATLAS (2) A partire dallo strato piu’ interno troviamo in successione: Inner Detector (Tracciatore)  Ricostruzione tracce – Misura l’ impulso e carica Calorimetro Elettromagnetico  Misura Energia Calorimetro Adronico  Misura Energia Camere mu (Tracciatore)  Ricostruzione tracce - Misura l’impulso e carica 29/03/2017 L. La Rotonda

Calorimetri – Misura dell’ ENERGIA Strati di materiale denso (assorbitore) alternati a strati di rivelatore. Nell’ assorbitore si sviluppa lo sciame  le particelle perdono energia fin quando sono totalmente assorbite. Misura DISTRUTTIVA ... particella assorbitore rivelatore carica ≈ energia particella iniziale Calorimetri Elettromagnetici (rivelazione di e- , e+ , γ) Calorimetri Adronici (rivelazione di adroni carichi e neutri: p,n,π,K) Misura distruttiva : la particella rilascia tutta la sua energia 29/03/2017 L. La Rotonda

Lo sciame elettromagnetico Un γ di alta energia interagisce nel mezzo e produce una coppia e+ e- ad energia inferiore. Gli elettroni e positroni perdono energia emettendo γ (bremsstrahlung) L’ insieme di questi processi da luogo alla formazione dello sciame. Ad energia di qualche MeV il processo si interrompe. Subentrano altre interazioni che portano al rapido assorbimento della particella nel calorimetro. μ ed adroni perdono solo una frazione di energia nei calorimetri em 29/03/2017 L. La Rotonda

I Calorimetri elettromagnetici di ATLAS In ATLAS 3 calorimetri elettromagnetici 1 nella zona centrale (barrel) 2 nelle le regioni in avanti misurano l’ energia di γ ed elettroni prodotti ad un angolo tra 28.3° e 4.7° rispetto ai fasci Costituiti da strutture in Pb immerso in Ar liquido a 90 K Lo sciame si sviluppa nel piombo. Il segnale, in corrente, e’ dato dagli elettroni prodotti per ionizzazione nell’Ar dalle particelle dello sciame. 29/03/2017 L. La Rotonda

I Calorimetri adronici di ATLAS Strati di ferro alternati a rivelatori nel barrel. Rame come assorbitore ed Ar come rivelatore per i calorimetri in avanti Misurano l’ energia di protoni, neutroni, pioni. I μ perdono solo una frazione di energia nei calorimetri adronici. 29/03/2017 L. La Rotonda

Tracciatori (1) Ricostruzione del percorso della particella carica Il principio di funzionamento dei tracciatori si basa sulla ionizzazione che e’ prodotta dalle particelle cariche che li attraversano. Gli elettroni sono raccolti e producono un segnale elettrico. La perdita di energia della particella e’ trascurabile. Un tracciatore e’ costituito da tanti ‘elementi’ che si ‘accendono’ al passaggio di una particella carica. Ricostruzione del percorso della particella carica Identificazione del punto di produzione (vertice) 29/03/2017 L. La Rotonda

Tracciatori (2) F = q v x B perpendicolare a v e B Se un tracciatore e’ posto in un campo magnetico ( B ) si determina l’ impulso (mv) dalla traccia e la sua carica F = q v x B perpendicolare a v e B Il raggio e ≈ all’ impulso Possiamo conoscere il segno della carica 29/03/2017 L. La Rotonda

I Tracciatori di ATLAS Inner Detector Spettrometro per muoni Due sistemi di tracciatori in ATLAS: Inner Detector Spettrometro per muoni Entrambi in campo Magnetico 29/03/2017 L. La Rotonda

Inner Detector 3 diverse tecnologie: Pixels e il SiliCon Tracker individuano il punto di passaggio della traccia. Transition Radiation Tracker da’ anche informazioni sul tipo di particella. 29/03/2017 L. La Rotonda

Spettrometro per muoni (1) E’ il rivelatore piu’ esterno. Misura l’ energia dei μ dalla curvatura delle tracce. E’ costituito da strati di camere (MDT) che contegno tubi di Al riempiti di gas. Il muone ionizza il gas, gli elettroni prodotti sono raccolti sul filo conduttore posizionato al centro del tubo. 29/03/2017 L. La Rotonda

Spettrometro per muoni (2) 29/03/2017 L. La Rotonda

delle particelle cariche Inner detector (tracciatore) Calorimetro elettromagnetico Calorimetro adronico Camere mu (tracciatore) Ricostruisce il percorso delle particelle cariche Misura Energia di e-γ Misura energia per adroni Ricostruzione percorso ed impulso dei μ 29/03/2017 L. La Rotonda

Animazione 29/03/2017 L. La Rotonda

Rivelazione dei neutrini (1) x y y x z I due protoni si muovono lungo l’ asse Z.  nel piano XY l’ impulso di ogni protone e L’ impulso totale sono nulli. x z y In urto l’impulso totale e’ lo stesso prima e dopo la collisione. Nel piano trasverso (XY) le particelle avranno lo stesso impulso (linea rossa) e si muoveranno nella stessa direzione ed in verso opposto. 29/03/2017 L. La Rotonda

Rivelazione dei neutrini (2) Evento 1 Evento 2 ricostruito Missing Pt x y Nell’ evento 2 l’ impulso trasverso mancante (MPT), come l’ energia trasversa mancante (MET), possono essere dovuti alla produzione di neutrini. Nell’ analisi dei dati un alto valore di MET e’ uno dei criteri di selezione per individuare eventi prodotti dal decadimento di W ( W e/μ + ν ) 29/03/2017 L. La Rotonda

Selezione degli eventi Eventi di segnale a W+  e+ + v W+  μ+ + v W-  e- + v W-  μ- + v H  W+ + W- Eventi di fondo per W a Z0  e+ + e- Z0  μ+ + μ- (uno dei leptoni sfugge ai rivelatori) I dati di segnale sono estratti dal campione di eventi noti gli stati finali e le distribuzioni cinematiche ( impulsi,angoli fra le particelle, etc.) 29/03/2017 L. La Rotonda

29/03/2017 L. La Rotonda no si 1 solo leptone con Pt > 15 GeV no si Solo 2 leptoni + di carica opposta + isolati dai Jets + Pt (l1) > 25 GeV Pt (l2) > 15 GeV 1 solo leptone con Pt > 15 GeV no no si ... con Pt > 20 GeV no si si Leptone isolato dai Jets che vengono dallo stesso vertice Entrambi i leptoni della stessa famiglia no no si si Determinare la carica del leptone no si Evento di fondo Determinare il tipo di leptone Misura l’ angolo tra i leptoni nel piano trasverso elettrone (e- ) / positrone (e+ ) muone (μ- ) / antimuone (μ+) 29/03/2017 Registra: il numero dell’ evento ed il risultato (W+ e tipo di leptone / W- e tipo di leptone / fondo / WW e l’ angolo tra i leptoni ). Vai a “Next Event” L. La Rotonda