Rivelazione di particelle

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

2. Indice L’importanza dello studio delle particelle Perchè usare acceleratori sempre più potenti Rivelazione delle particelle Riconoscimento di eventi particolari

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

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

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

6. 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 Campi magnetici per curvare Campi elettrici per accelerare N S E=100 eV + - Traiettorie circolari 100 V

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

8. Acceleratori: a bersaglio fisso e collider Acceleratore bersaglio Bersaglio fisso Collider E = mc2 Energia  materia (particelle)

9. LHC CERN (GINEVRA) 27 KM CIRC. CERN Beam pipe Bunch 1011 protoni Bunch 1011 protoni 2010: 3•106urti/s E = 7 TeV (~ eurostar a 200 km/h)

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

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

13. Tracciatori e rivelatori di vertice Segnale elettrico - + + + + + + + + + + + + + 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 Mezzo (gas o anche solido) Filo carico + Ricostruita la traiettoria della particella

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

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

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

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

18. Piombo e±, γ ... Pb scintillatore Raccolta la luce ≈ energia particella iniziale Il calorimetro elettromagnetico Calorimetri riconoscere e± ,γ strati di materiale denso alternati a strati di rivelatore di γ effetto a catena (sciame em)  particelle perdono energia  sciame si esaurisce bremstrahlung

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

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

21. Ricostruzione delle particelle Per vedere il programma interattivo sulla ricostruzione delle particelle, collegarsi all’indirizzo https://kjende.web.cern.ch/kjende/it/wpath_teilchenid1.htm All’interno del sito delle Masterclass

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

23. W- μ-ν W+ e+ν Ricostruzione degli eventi W+ μ+ν Riconoscere μ e ν W- e-ν Fondo: Z0 e+ e- ,μ+μ- alcuni eventi simulati H  W+W-

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

25. evento e-(carica = al segno di pT) Energia mancante opposta al e-  ν W-  e-ν

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

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

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

29. Conclusioni 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 vi accoglieremo a braccia aperte Grazie a tutti, studenti e professori

30. Backup slides

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 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

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

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

34. Le particelle instabili 3x10-25 Tempo (s) 0 Spazio (m) 10-18 0 Particelle che sono create e dopo un tempo “piccolissimo” decadono in altre particelle Es. Z0 non la vedo, ma se riconosco μ+μ- e misuro impulso Riconosco Z0 e ricostruisco impulso