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11
Rivelazione di particelle
roberto spighi, Bologna 13 marzo 2014
10th International Masterclasses 2014
Un’iniziativa EPOG European Particle-Physics Outreach Group con la partecipazione della sezione INFN di Bologna
Bologna, Roma, Atene, Palaiseau, Santander
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2
L’importanza dello studio delle particelle
Perchè usare acceleratori sempre più potenti
Rivelazione delle particelle
Riconoscimento di eventi particolari
Indice
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3
ATOMO 10-10 m(0.1 miliardesimo di metro)
elettrone
Protoni e neutroni
BohrRutherford
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?
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4
Per vedere il mondo microscopico non possiamo usare gli occhi Ci dobbiamo servire di altri
strumentibacchetta sottile
bastone grosso
riconosco parti con dimensioni ~ sezione della bacchetta
Testa, occhi, naso ...
Corpo
studiare il mondo senza vederlo
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5
Perchè gli acceleratori? -1Per vedere le particelle devo avere “bacchette”
piccolissime
Particelle stesse
λ~ 1/p p è la quantità di moto (proporzionale all’energia)
dualismo onda-corpuscolo: le particelle si comportano come onde e la loro dimensione è la lunghezza d’onda associata
λ PICCOLA
ACCELERATORI PIU’ POTENTI SONO PIU’ VEDONO IL
PICCOLO
particelle con GRANDE ENERGIA
Se voglio vedere oggetti piccoli
λ
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6
Perchè gli acceleratori? 2
E = Mc2 MASSAENERGIA
+ ACCELERATORE POTENTE + PRODUCE PARTICELLE ALTA ENERGIA PRODUCONO ALTRE PARTICELLE STUDIO INFINITAMENTE PICCOLO
PIONI
KAONI MUONI
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7
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
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8
I primi acceleratori
Sorgente di particelle
+ ++
- --
Acceleratore lineare Acceleratore circolare
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9
Acceleratori: a bersaglio fisso e collider
Bersaglio fisso
Collider
Acceleratore
E = mc2
Energia materia (particelle)
bersaglio
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10
LHCCERN (GINEVRA) 27 KM CIRC.
Bunch 1011 protoni
2012: >10•106 urti/sE = 8 TeV (> eurostar a 200
km/h)
CERN
Bunch 1011 protoni
Beam pipe
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I 4 esperimenti di LHC
ATLAS
CMSALICE
LHC-B
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12
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
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13
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
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14
Tracciatori e rivelatori di verticela 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
+
-
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CMS: Tracciatori e rivelatori di vertice
Silicon Tracker: 13 strati 76 M canali
Pixel: 100x150 μm
Precisione sul vertice ~ 15 μm
Strip: 80 x 180 μm 25 cm x 180 μm
Precisione su impulso = 1.5%
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Misura dell’impulso (o quantità di moto)Fatto dal tracciatore con il campo
magneticoF qv B r rr Forza di lorentz: tra una carica ed
un campo magnetico si esercita una forzamvrqB
Raggio di curvatura
modulo dell’impulso mv e la carica q
N
Impulso maggiore (+)Impulso
minore (+)
Carica opposta -
S
rivelazione
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Magnete superconduttore di CMS
solenoide
B = 4 Tesla100 K > terraLungo 13 mDiametro 6 mPeso ~ 12 TT = -269 °C
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18
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
identificazione
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19
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
...e±, γ
Pb
scintillatore
Raccolta la luce ≈ energia particella iniziale
bremstrahlung
Calorimetri riconoscere e± ,γ
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20
p, n, π urtano atomi
del calorimetro creano
altre particelle
Il calorimetro adronicoRiconoscere 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
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21
rivelatori di muoniRivela muoni e ne misura l’impulso
Muoni sono “poco interagenti” se attraversano materiali perdono poca energia ~unici ad arrivare a questo rivelatore
Rivelatore più esterno e più grande
![Page 22: 1 Rivelazione di particelle roberto spighi, Bologna 13 marzo 2014 10th International Masterclasses 2014 Un ’ iniziativa EPOG European Particle-Physics](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081602/5542eb6b497959361e8d7c3a/html5/thumbnails/22.jpg)
22
Identificazione delle particelle
rivelazione
![Page 23: 1 Rivelazione di particelle roberto spighi, Bologna 13 marzo 2014 10th International Masterclasses 2014 Un ’ iniziativa EPOG European Particle-Physics](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081602/5542eb6b497959361e8d7c3a/html5/thumbnails/23.jpg)
23
Riconoscimento delle principali particelle
ElettroniPositroni
muoni
gamma
Adroni neutri (neutroni)
Adroni carichi (protoni)
neutrini
Tracciatore
Calo em
Tutti
Tracciatore
Calo adr
Calo em
Calo Adr
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24
Ricostruzione degli eventi, Z0Z0 particella instabile decade, non si misura
direttamente
Z0
μ+ (e+)
μ-(e-)Tempo (s)0 3x10-25
Spazio (m)
0 10-18
Z0 ricostruita da e/μ o con conservazione
Energia/Impulso 0
2 2
2 2Z
E E p pM
c c c c
MASSA
91.188 ± 0.002 GeV
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25
CMS: Evento con Z0: visione in prospettiva
Tracciatore
Rivelatore di muoni
![Page 26: 1 Rivelazione di particelle roberto spighi, Bologna 13 marzo 2014 10th International Masterclasses 2014 Un ’ iniziativa EPOG European Particle-Physics](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081602/5542eb6b497959361e8d7c3a/html5/thumbnails/26.jpg)
26
CMS: Evento con Z0: visione trasversa
tracciatore
calorimetri
Rivelatore di muoni
2 tracce cariche che arrivano al rivelatore di muoni
2 MUONI di carica opposta
carica + senso orarioZ0 μ+μ-
![Page 27: 1 Rivelazione di particelle roberto spighi, Bologna 13 marzo 2014 10th International Masterclasses 2014 Un ’ iniziativa EPOG European Particle-Physics](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081602/5542eb6b497959361e8d7c3a/html5/thumbnails/27.jpg)
27
Ricostruzione degli eventi, WW particella instabile: creata, vive e
decade
W+
μ+ (e+)
νμ(νe)
W+ μ+ νμ
W- μ- νμ
W+ e+ νe
W- e- ν
Riconoscere μ e ν
ν invisibile: si ricostruisce come energia mancante
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28
CMS: Evento con W: visione in prospettiva
Tracciatore
Rivelatore di muoni
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29
CMS: Evento con W: visione trasversatracciatore
calorimetri
Rivelatore di muoni
molta energia mancante (freccia gialla
lunga)
NEUTRINO
Traccia carica che si ferma nel cal
em
ELETTRONE Weν
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30
Ricostruzione degli eventi, Higgs
μ+ μ-
e+e-Z0
Z0H
H
γ γγ
γ
HZ0Z0 μ+ μ- e+e- , μ+ μ- μ+ μ- , e+e- e+e-
H
γγ
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31
CMS: Evento con H: visione in prospettiva
Calorimetro
Rivelatore di muoni
HZ0Z0 μ+ μ- e+e-
![Page 32: 1 Rivelazione di particelle roberto spighi, Bologna 13 marzo 2014 10th International Masterclasses 2014 Un ’ iniziativa EPOG European Particle-Physics](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081602/5542eb6b497959361e8d7c3a/html5/thumbnails/32.jpg)
32
CMS: Evento con H: visione trasversa
2 fotoni
(segnale nel cal em)
HZ0Z0 μ+ μ- e+e- H
γγ
2 elettroni
2 muoni
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33
questo è un bell’esercizio 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 noi
Conclusioni
Grazie a tutti, studenti e professori
Vi accoglieremo a braccia aperte
![Page 34: 1 Rivelazione di particelle roberto spighi, Bologna 13 marzo 2014 10th International Masterclasses 2014 Un ’ iniziativa EPOG European Particle-Physics](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081602/5542eb6b497959361e8d7c3a/html5/thumbnails/34.jpg)
34
Backup slides
![Page 35: 1 Rivelazione di particelle roberto spighi, Bologna 13 marzo 2014 10th International Masterclasses 2014 Un ’ iniziativa EPOG European Particle-Physics](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081602/5542eb6b497959361e8d7c3a/html5/thumbnails/35.jpg)
35
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 dell’universo
magneti superconduttori -271 C = 1.9 K
nell’urto 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
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36
I primi acceleratori
Scoperte: muoni (1936), pioni, kaoni (1947), ...
particella
aria
urto
Stato finale
Raggi cosmici particelle provenienti dallo spazio
primo acceleratore costruito dall’uomo
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37
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 all’ebollizione lasciando una scia di “bollicine” lungo la traiettoria
Bellissime perchè vedevi tutto, ma lente e non triggerabili ( foto quasi tutte vuote)