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Rivelatori di Particelle

Rivelatori di Particelle. a.a. 2010-2011 Marisa Valdata. Da semplici idee. Ad apparati complicati. Lezione 1. Programma Bibliografia Introduzione. PROGRAMMA. Introduzione Cenni su acceleratori di particelle e fasci estratti Interazione delle particelle con la materia

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Rivelatori di Particelle

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Presentation Transcript

  1. Rivelatori di Particelle a.a. 2010-2011 Marisa Valdata Da semplici idee Ad apparati complicati

  2. Lezione1. • Programma • Bibliografia • Introduzione

  3. PROGRAMMA • Introduzione • Cenni su acceleratori di particelle e fasci estratti • Interazione delle particelle con la materia • Perdita di energia per ionizzazione • Scattering multiplo • Lunghezza di radiazione • Sciami elettromagnetici • Radiazione Cerenkov e di transizione • Rivelatori di particelle • Rivelatori di posizione e tracciamento a gas e di silicio • Scintillatori organici ed inorganici,fotomoltiplicatori, fibre scintillanti • Calorimetria: calorimetri omogenei ed a sampling. • Identificazione di particelle: misure di dE/dx, tempi di volo, rivelatori Cerenkov, rivelatori di radiazione di transizione. Radiazioni ionizzanti: dosimetria, radioprotezione ed applicazioni mediche

  4. BIBLIOGRAFIA TESTI • C. Grupen,Particle Detectors, Cambridge University Press, 1996 • R. Fernow, Introduction to Experimental Particle Physics,Cambridge University Press, 1992 • W.R.Leo, Tecniques for Nuclear and Particle Physics Experiments, Springer Verlang, 1994

  5. BIBLIOGRAFIA …… Altri utili testi: • Dan Green, The Physics of Particle Detectors, Cambridge University Press,2000 • Konrad Kleinknecht, Detectors for Particle Radiation, Cambridge U.K. • Blum & Rolandi, Particle Detection with Drift Chambers, Springer Verlang, 1994

  6. BIBLIOGRAFIA …… ARTICOLI DI RIVISTA: • Experimental Tecniques in High Energy Physics, T.Ferbel (editore),World Scientific, 1991 • Instrumentation in High Energy Physics, F.Sauli (Editore), World Scientific, 1992 ALTRI: • Particle data Book (Phys. Rev. D) • R. Bock, a. Vasilescu, Particle Data Briefbook http://www.cern.ch/Physics/ParticleDetector/Briefbook • Proceedings di conferenze sugli apparati (Vienna VCI, Elba, IEEE) • Introduction to radiation detectors and electronics (Helmut Spieler, Lecture Notes – Physics 198,Spring semester 1999- UC Berkeley) http://www-physics.lbl.gov/~spieler/physics_198_notes_1999/index.html

  7. Il piu’ vecchio rivelatore (di fotoni)… • Alta sensibilità ai fotoni • Buona risoluzione spaziale • Range dinamico molto largo (1:1014) + adattamento automatico della soglia • Discriminazione in energia (lunghezza d’onda) • Piuttosto lento (velocità di acquisizione +analisi ~10 Hz)

  8. Lastre fotografiche

  9. Tubo a raggi catodici

  10. Tubo a raggi catodici

  11. Progresso…..

  12. Un decadimento W+W- in Aleph

  13. Un evento simulato in ATLAS (CMS)HZZ 4µ

  14. Introduzione La reazione e+e-→ Zo →qq: • Conosciamo le particelle interagenti (e+e-)  ACCELERATORI • Per ricostruire la reazione e le proprietà delle particelle coinvolte la massima informazione sui prodotti finali (gli unici a noi accessibili)  APPARATI SPERIMENTALI

  15. Introduzione Acceleratori: • Accelerano particelle stabili (elettroni, positroni, protoni, antiprotoni) PS, AGS, SPS …. Anelli di Collisione (Colliders): • Siamo nel c.m.: le particelle collidono fra loro LEP, LHC, Tevatron, PEPII.

  16. Introduzione Apparati Sperimentali. Particelle incidenti: • Elettroni,positroni • Protoni, antiprotoni • Protoni protoni • Elettroni, protoni Prodotti finali: • Particelle cariche • Particelle neutre • Fotoni • neutrini Esempio Collider • Copertura di tutto l’angolo solido senza buchi e altamente segmentato • Misura dell’impulso e/o energia • Identificazione delle particelle finali • Rapido (senza tempo morto) • Le particelle sono rivelate tramite le loro interazioni con la materia. • Diversi processi fisici coinvolti (essenzialmente elettromagnetici) • Osserviamo la ionizzazione e l’eccitazione della materia

  17. Definizioni ed unita’ L’ Energia è definita come: E2=p2c2+mo2c4 • Energia E ; si misura in eV (e suoi multipli KeV, MeV, GeV, TeV) • Impulso p : si misura in eV/c (e suoi multipli) • Massa a riposo mo: si misura in eV/c2 L’eV corrisponde all’energia ΔU guadagnata da un elettrone posto in una d.d.p. ΔV=1V

  18. Definizioni ed unita’ • Masse • Elettrone (e) ~ 0.5 MeV • Muone (m) ~105 Mev • Pione (p) ~140 MeV • Protone e neutrone (p,n) ~938 MeV • Fotone e neutrino(g,n) ~0. MeV • Lunghezze • 1 μm (10-6 m) -risoluzione spaziale degli apparati • 1 nm (10-9 m) -lunghezza d’onda del verde (~500nm) • 1 Å (10-10 m) - dimensioni dell’atomo • 1 f (10-15 m) -dimensioni del nucleo • Tempi • 1μs (10-6 s) deriva di 5 cm di un e in un gas (camere a a deriva • 1 ns (10-9 s) un fotone fa 30 cm in 1 ns (nel vuoto) • 1 ps (10-12 s) vita media di un mesone B

  19. Definizioni ed unita’ Spesso si usa: In tali unità: [E] = [p] = [m] = [t-1] = [x-1] = eV Per passare dalle unità adimensionali a quelle dimensionali dobbiamo conoscere: • la velocita’ della luce c=3x108 m/s e la costante di Plank h=6.62x10-34 J s (h/2p)c ~ 0.2 GeV f ~ 2000 eV Å ___________________________________________________________________________ Ricordando il principio d’indeterminazione Dx·D(pc) = (h/2p) c  • Per risolvere le dimensioni di un atomo (~Å 10-10m) servono energie ~KeV • Per vedere dentro un nucleo ( ~ f 10-15m) dobbiamo avere energie ≥ 200 MeV • Per distinguere i costituenti di un protone servono energie ~ GeV

  20. Cinematica relativistica Formule base: Valide anche nel caso non relativistico  g ~ 1+1/2 b2  K=1/2 mv2 (per quanto riguarda l’energia cinetica e la quantità di moto) Energie (impulsi) sono classificati come segue: • g ~ 1 non relativistico • g > 1 relativistico • g >> 1 ultrarelativistico (in questo caso K~E)

  21. Cinematica relativistica L’energia e l’impulso di una particella formano un quadrivettore p = (E,p). L’ energia E* e l’impulso p* di una particella massa m viste da un sistema di riferimento con velocità b sono:

  22. Cinematica relativistica In una collisione di 2 particelle di massa m1 ed m2 l’energia totale nel c.m. e’ espressa dall’invariante di Lorentz: Dove q è l’angolo formato fra le due particelle. Nel sistema in cui m2 è ferma (sistema del laboratorio) avremo: Le variabili del laboratorio rispetto al c.m. sono:

  23. Particelle ed Interazioni La fisica subnucleare studia i costituenti della materia ( partoni e leptoni) e cerca di capire le interazioni cui sono soggetti  • Interazioni forti (forza relativa a ~10-18 cm ~1 ) • Interazioni e.m. ( “ “ ~10-2) • Interazioni deboli ( “ “ ~10-5) • Interazioni gravitazionali ( “ “ ~10-39) • La forza gravitazionale è irrilevante in quanto mp = 938 MeV = 1.67x10-27 kg. È comunque a lungo raggio. • La forza debole (responsabile dei decadimenti radioattivi e delle interazioni di neutrini è poco utile per i rivelatori. È a corto raggio. • La forza forte è quella che tiene assieme i protoni (e neutroni) nel nucleo. È utilizzata solo nei Calorimetri Adronici. Anche questa forza è a corto raggio. • La forza e.m., non è altro che la forza coulombiana. È a lungo raggio e quindi, nel caso di particelle cariche domina a grandi distanze fino a ~ 1 f ( a piccole distanze domina la forza forte). Quest’ ultima è fondamentale per i rivelatori Interazione Radiazione Materia dominata da processi e.m.

  24. Particelle ed Interazioni Le particelle possono essere classificate tramite le forze cui sono soggette. • I leptoni ( m, e, n )non sono soggetti alla forza forte. Non hanno struttura interna  sono puntiformi. • Gli adroni sentono la forza forte e sono suddivisi in barioni (spin semintero) emesoni(spin intero). Gli adroni hanno una struttura interna (quark). • Ogni particella ha la sua antiparticella con la stessa massa e spin, ma carica ed altri numeri quantici interni opposti. • Esistono anche i Bosoni di Gauge (mediatori delle interazioni). Hanno spin intero. • Interazione e.m. g • Interazione forte g • Interazione debole Z0,W±

  25. Particelle ed interazioni La ricerca sperimentale studia: • Diffusione di particelle  sezione d’urto • Spettroscopia e decadimenti  vita media • Produzione di particelle  sezione d’urto Vita media: t Se la particella instabile si muove il percorso che farà prima di morire è: Il numero di particelle che decadono in dx è proporzionale al numero di particelle N(x) che si hanno ad x ed al percorso dx.  Distribuzione esponenziale con pendenza ld (lunghezza di decadimento)

  26. Particelle ed interazioni Sezione d’urto s. La sè usata per esprimere la probabilità di interazione fra particelle elementari. • Se giocamo al tiro al bersaglio, il parametro che ci interessa è la dimensione del bersaglio (targhetta) ovvero l’area che il fascio di freccette vede. • Analogamente se spariamo un fascio di elettroni in un bidone di idrogeno (che non è altro che un insieme di protoni) il parametro che ci interessa è la dimensione del protone, ovvero l’area che il protone mostra al fascio incidente.Però il protone non ha una sezione ben definita, ma più vicino ci andiamo maggiore è la probabilità d’interazione. Inoltre la sezione d’urto dipende dalla natura del proiettile oltre che dalla struttura del bergaglio. Gli elettroni sono diffusi più dei neutrini e meno dei protoni (interazioni diverse). • Sezione d’urto elastica ( Se l’energia è bassaavremo solo e+pe+p ) • Sezione d’urto anelastica ( Se l’energia è sufficiente possiamo avere e+pe+p+go anche e+pe+p+petc ) Ipotesi semplicistica s 1/v ( più a lungo sto vicino al protone più alta è la probabilità d’interazione),ma risonanze (stato quasi legato) e s più grande. Dimensioni area. Unità di misura 1 barn (b) =10-24 cm2 Per impulso nel lab. di 10 GeV/c si ha: • st ( p+p ) ~ 25 mb (forte) • st ( gp ) ~ 100 mb (e.m.) • st ( np ) ~ 0.1 pb (debole)

  27. Sezioni d’urto Per avere la sT si integra su tutto l’angolo solido.

  28. Sezione d’urto • Esempio numerico: p- p p0 n • 107 particelle incidenti a burst ( impulso dell’acceleratore) • 1 burst ogni 10 s • 8 giorni di presa dati • Targhetta di Be (r =1.8 gr/cm3) l=10 cm • Dati raccolti 7.49x1010 sT=(Nrac/Nfascio)x(1/nA) (Nrac=7.49x1010 Nfascio=69120x107) nA = rlNA (Z/A) (numero di protoni nella targhetta) sT = (7.49x1010)/(69120x107x48.18x1023)~2.25x10-26 cm2=22.5 mb

  29. Sezione d’urto

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