1 Rivelazione di particelle roberto spighi, Bologna 14 marzo 2011 7th International Masterclasses 2011 Uniniziativa EPOG European Particle-Physics Outreach.

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1 1 Rivelazione di particelle roberto spighi, Bologna 14 marzo 2011 7th International Masterclasses 2011 Uniniziativa EPOG European Particle-Physics Outreach Group con la partecipazione della sezione INFN di Bologna Barcellona, Bologna, Dresda, Orsay, Rechovot, Rostock

2 2 Limportanza dello studio delle particelle Perchè usare acceleratori sempre più potenti Rivelazione delle particelle Riconoscimento di eventi particolari Indice

3 3 ATOMO 10 -10 m (0.1 miliardesimo di metro) elettrone Protoni e neutroni Bohr Rutherford conoscere ciò che ci circonda Tutta la materia che ci circonda è fatta di atomi Sono i costituenti ultimi? NUCLEO 10 -14 m Si può andare ancora nel più piccolo?

4 4 Per vedere il mondo microscopico non possiamo usare gli occhi Ci dobbiamo servire di altri strumenti bacchetta sottile bastone grosso riconosco parti con dimensioni ~ sezione della bacchetta Testa, occhi, naso... Corpo studiare il mondo senza vederlo

5 5 Perchè gli acceleratori? Per vedere le particelle devo avere bacchette piccolissime Particelle stesse λ~ 1/p p è la quantità di moto (proporzionale allenergia) dualismo onda-corpuscolo: le particelle si comportano come onde e la loro dimensione è la lunghezza donda associata λ PICCOLA ACCELERATORI PIU POTENTI SONO PIU VEDONO IL PICCOLO particelle con GRANDE ENERGIA Se voglio vedere oggetti piccoli λ

6 6 N + - 100 V E=100 eV Campi elettrici per accelerare Campi magnetici per curvare Acceleratori: come funzionano particelle prodotte riscaldando filamenti (elettroni) o per ionizzazione (es H senza e - = protone) o con urti (antiparticelle) particelle corrono dentro dei tubi S Traiettorie circolari

7 7 I primi acceleratori Sorgente di particelle + + + - - - Acceleratore lineare Acceleratore circolare

8 8 Acceleratori: a bersaglio fisso e collider Bersaglio fisso Collider Acceleratore E = mc 2 Energia materia (particelle) bersaglio

9 9 LHC CERN (GINEVRA) 27 KM CIRC. Bunch 10 11 protoni 2010: 310 6 urti/s E = 7 TeV (~ eurostar a 200 km/h) CERN Bunch 10 11 protoni Beam pipe

10 10 I 4 esperimenti di LHC ATLAS CMS ALICE LHC-B

11 11 UN URTO AD LHC Centinaio di particelle prodotte: ricostruirle e riconoscerle apparati molto grandi separo le varie particelle struttura a cipolla in ogni strato lasciano un segnale

12 12 rivelatori di particelle Posizione Direzione del moto Energia/impulso tempo di vita Tipo di particella Cosa dobbiamo sapere di ogni particella? Identificazione cinematica tracciatori TUTTO !! Beam pipe e protoni impulso identificazione evento

13 13 Tracciatori e rivelatori di vertice la rivelazione delle particelle si basa sugli effetti prodotti dal loro passaggio nella materia Particelle cariche: se attraversano un mezzo incontrano atomi forza di Coulomb Ionizzano Segnale elettrico Filo carico + + + + + + + Mezzo (gas o anche solido) + + + + + + Ricostruita la traiettoria della particella + -

14 14 ATLAS: Tracciatori e rivelatori di vertice ~80 milioni di pixels Tracce distinte fino a 0.2 mm Precisione sul vertice = 15 μm Rivelatori Si a semi-conduttore Pixel Strip 50 x 400 μm 80 μm x 6.4 cm Camere a drift

15 15 Misura dellimpulso (o quantità di moto) Fatto dal tracciatore con il campo magnetico Forza di lorentz: tra una carica ed un campo magnetico si esercita una forza Raggio di curvatura modulo dellimpulso mv e la carica q N Impulso maggiore (+) Impulso minore (+) Carica opposta - S rivelazione

16 16 I magneti superconduttori di ATLAS solenoide B = 2 Tesla Raggio ~ 1 m toroide B = ~0.5 Tesla Raggi ~ 9 e 20 m Lungh ~ 25 m Toroide frontale Toroide dallalto

17 17 Il riconoscimento delle particelle Parte interna dedicata al tracciamento Parte esterna dedicata al riconoscimento (ed anche al tracciamento) Calorimetri Elettromagnetico Adronico Rivelatori di muoni Particella viaggia ~ indisturbata Particelle ~ distrutte collidono con materiali densi rivelazione

18 18 Il calorimetro elettromagnetico Piombo strati di materiale denso alternati a strati di rivelatore di γ effetto a catena (sciame em) particelle perdono energia sciame si esaurisce bremstrahlung Calorimetri riconoscere e ±,γ

19 19 p, n, π urtano atomi del calorimetro creano altre particelle Il calorimetro adronico Riconoscere p, n e π (protoni, neutroni, pioni) e misura energia P, n, π strati di Fe alternati a strati di rivelatore Sciame adronico Sciame elettromagnetico... Inizia dopo Più aperto Meno simmetrico calorimetri

20 20 rivelatori di muoni Rivela muoni e ne misura limpulso (con il magnete toroide) Muoni sono poco interagenti se attraversano materiali perdono poca energia ~unici ad arrivare a questo rivelatore Rivelatore più esterno e più grande (~22 m di diametro) botte a più strati con 2 tappi laterali tappo MDT Monitor drift tubes ricostruiamo le particelle più importanti

21 21 Ricostruzione delle particelle https://kjende.web.cern.ch/kjende/it/wpath_teilchenid1.htm Per vedere il programma interattivo sulla ricostruzione delle particelle, collegarsi allindirizzo Allinterno del sito delle Masterclass

22 22 Riconoscimento delle principali particelle Elettroni Positroni muoni gamma jets pioni neutrini Tracciatore Calorimetro em Tutti Tracciatore Calorimetro adr Calorimetro em Tracciatore Calorimetri

23 23 Ricostruzione degli eventi W + μ + ν W - μ - ν W + e + ν W - e - ν Riconoscere μ e ν Fondo: Z 0 e + e -, μ + μ - alcuni eventi simulati H W + W -

24 24 evento μ e la carica ? click su traccia visione trasversa visione longitudinale Energia mancante 52 GeV opposta al μ ν W + μ + ν MuonSegment index: 2 Φ = 112.284° InDetTrack index: 1 P T =41.519 GeV η = -0.870 Φ = 114.868° Px=-17.460 GeV Py=37.669 GeV Pz=-40.846 GeV atlas

25 25 evento e - (carica = al segno di p T ) Energia mancante opposta al e - ν W - e - ν

26 26 evento jets Energia mancante (piccola ~ 12 GeV) fondo

27 27 evento μ+μ-μ+μ- Energia mancante (piccola ~ 9 GeV) Z0 μ+μ- fondo

28 28 evento e-e- Energia mancante (~ 70 GeV) μ+μ+ H W + W - μ + ν e - ν

29 29 Conclusioni questo è un bellesercizio basato su dati veri è la fisica di maggior interesse oggi la tecnologia associata è al massimo livello di sviluppo se deciderete di fare fisica vi accoglieremo a braccia aperte Grazie a tutti, studenti e professori

30 30 Backup slides

31 31 I numeri di LHC Macchina più grande al mondo 27 km quasi tutti in Francia protone fa 11000 giri/s posto più freddo e più caldo delluniverso magneti superconduttori -271 C = 1.9 K nellurto la temperatura è 1000 miliardi > T sole costi tot 6 miliardi (1 anno camera+senato ~ 2 miliardi ) ITALIA ~700 milioni ritorno di ~1.5 volte 700 ricercatori italiani coinvolti

32 32 I primi acceleratori Scoperte: muoni (1936), pioni, kaoni (1947),... particella aria urto Stato finale Raggi cosmici particelle provenienti dallo spazio primo acceleratore costruito dalluomo

33 33 I primi rivelatori di particelle CAMERE A BOLLE Anni 50/70 fascio mandato dentro volume di gas foto Camera a bolle Particelle cariche ionizzano un liquido vicino allebollizione lasciando una scia di bollicine lungo la traiettoria Bellissime perchè vedevi tutto, ma lente e non triggerabili ( foto quasi tutte vuote)

34 34 Le particelle instabili Particelle che sono create e dopo un tempo piccolissimo decadono in altre particelle Es. Tempo (s) 0 3x10 -25 Spazio (m) 0 10 -18 Z 0 non la vedo, ma se riconosco μ + μ - e misuro impulso Riconosco Z 0 e ricostruisco impulso