Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di Particelle

1. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di Particelle Corso di dottorato 2014

2. Fisica degli acceleratori di particelle Parte I Corso di dottorato 2014

3. Fisica degli acceleratori di particelle Bibliografia parte I (Acceleratori di Particelle) • CERN 89-07 Yellow Report (sono spiegate abbastanza semplicemente le basi della fisica degli acceleratori (è in francese)) • Qualunque scuola CAS (Cern Accelerator School) in particolare CAS 2010 e CAS 2012. Si trovano sul web le trasparenze cas.web.cern.ch/cas/CAS Welcome/Previous Schools.htm e i proceedingscas.web.cern.ch/cas/Proceedings.html • Utili possono essere le slides che trovate al seguente indirizzo: http://www.pd.infn.it/carlin/riv/Slides/Acc1.pdf e http://www.pd.infn.it/carlin/riv/Slides/Acc2.pdf • Lezioni per gli studenti estivi al CERN • An Introduction to the Physics of Particle Accelerators. World Scientific, Mario Conte e William W. MacKay • An Introduction to the Physics of High Energy Accelerators. John Wiley and Sons, D.A. Edwards, M.J. Syphers. Marisa Valdata Dottorato 2014

4. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleIntroduzione • Introduzione alla fisica degli acceleratori di particelle • Introduzione • Sorgenti • Acceleratori a tensione continua • Acceleratori lineari • Acceleratori circolari • Anelli di Collisione • Oscillazione e stabilità dei fasci • Radiazione di sincrotrone • Raffreddamento dei fasci • Applicazione degli acceleratori di particelle • Applicazioni nella ricerca: fisica subnucleare, fisica nucleare, cosmologia ed astrofisica, fisica atomica,scienza dei materiali, chimica e biologia • Analisi degli elementi e datazione dei reperti • Medicina: diagnosi e terapia • Applicazioni industriali (cenni) Marisa Valdata Dottorato 2014

5. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleIntroduzione Gli acceleratori sono nati per lo studio della fisica nucleare e subnucleare. Lo sviluppo della fisica delle particelle è direttamente collegato con la costruzione di acceleratori di energia sempre più alta. • Fine ottocento scoperta dell’elettrone con un tubo a raggi catodici (oscillografo, vecchio televisore) • Anni 50 scoperta dell’ p̄ al bevatron di Berkeley (sincrotrone a focalizzazione debole di 6 GeV, accelerava p) • Anni 60 scoperta del nm all’ AGS di Brookhaven (AGS sincrotrone a gradiente alternato accelera p a 33 GeV) • Anni 70 Correnti neutre al PS del CERN (PS=protosincrotrone, accelera p di 28 GeV è a focalizzazione forte) • Anni 80 Scoperta del W e Z al Spp̄S del CERN (anello di collisione pp̄ del CERN, costruito usando il Super Proto Sincrotrone (SPS) del CERN) • Anni 90 Numero dei neutrini al LEP del CERN (anelli di collisione e+e- ) • Anni 2010 Scoperta dell’ Higgs ad LHC ( Large Hadron Collider, anelli di collisione pp (ioni pesanti) al CERN di energia di progetto di 14 TeV nel CM ) Marisa Valdata Dottorato 2014

6. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleIntroduzione Il primo acceleratore è stato un tubo a raggi catodici: Tubo a raggi catodici con cui Thomson scoprì l’elettrone Marisa Valdata Dottorato 2014

7. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleIntroduzione L’acceleratore (anelli di collisione) ad energia più elevata è LHC Marisa Valdata Dottorato 2014

8. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleIntroduzione Marisa Valdata Dottorato 2014

9. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleProgettazione di un acceleratore Fisica degli acceleratori: • Cavità risonanti • Criogenia • Superconduttività • Progetto + costruzione magneti • Vuoto → Fisica delle superfici Fisica dello stato solido Elettrodinamica Fisica dei fasci di particelle: • Dinamica della particella singola • Effetti collettivi • Interazioni fascio-fascio → Meccanica classica e quantistica Dinamica non lineare Relatività Elettrodinamica + Ingegneria ed Informatica Marisa Valdata Dottorato 2014

10. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleUtilizzo di un acceleratore L’utilizzatore di un acceleratore è essenzialmente interessato ad alcune caratteristiche degli acceleratori: • Tipo di particella accelerata. • Energia ed impulso delle particelle. • Intensità del fascio di particelle. • Fattore di utilizzo (duty cycle). Marisa Valdata Dottorato 2014

11. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleTipo di particella accelerata • Particelle cariche  uso di campi elettrici • Particelle stabili  p, p̄, e+, e-, ioni pesanti • Si possono accelerare anche particelle cariche a lunga vita media e.g. m che vivono 2 ms • Il tempo per accelerare le particelle è > 1s. Marisa Valdata Dottorato 2014

12. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleEnergia ed impulso delle particelle L’ energia totale, l’impulso e l’energia cinetica di una particella di massa a riposo m sono: Energia Totale W=gmc2 Impulso p=bgmc Energia cinetica K=W-Wr(Wr=mc2) La relazione fra energia ed impulso è: Velocità relativistica (adimensionale) b=v/c Energia relativistica (adimensionale) g=1/(1-b2)=1+W/Wr _____________________________________________________________________________________________________________________ Le formule sovrascritte sono valide anche per nel caso non relativistico (b piccolo). Basta sviluppare in serie. Nel caso ultrarelativistico (g>>1) possiamo trascurare la massa a riposo m  WKpc Marisa Valdata Dottorato 2014

13. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleEnergia ed impulso delle particelle Marisa Valdata Dottorato 2014

14. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleEnergia ed impulso delle particelle Cosa ci insegna la cinematica relativistica e.g. per un elettrone? La velocità cresce, ma non quanto l’energia. Marisa Valdata Dottorato 2014

15. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleEnergia ed impulso delle particelle Utili possono essere le relazioni: _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ Marisa Valdata Dottorato 2014

16. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleEnergia ed impulso delle particelle Normalmente si classificano le energie come: g1 non relativistico g>1relativistico g>>1 ultrarelativistico Le energie sono normalmente espresse in eV (o multipli KeV, MeV, Gev, TeV..) 1 eV=1.6x10-19J e=carica unitaria=1.6x10-19C Masse: me=0.511 MeV/c2 mm=105 MeV/c2 mp=938 MeV/c2 Marisa Valdata Dottorato 2014

17. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleEnergia ed impulso delle particelle • L’impulso (energia) massimoraggiungibiledipende da: • Cavitàacceleratrici (campo elettrico) • Raggiodell’acceleratore (acceleratoricircolari) • Intensitàdeicampimagnetici (acceleratoricircolari) Marisa Valdata Dottorato 2014

18. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleEnergia ed impulso delle particelle Se accelero in una direzione la legge di Newton diventa (relativisticamente) (slide 15): Marisa Valdata Dottorato 2014

19. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleAccelerazione Forza di Lorentz Si guadagna energia solo con il campo elettrico Potenziale scalare e vettore Campi elettrostatici Campi variabili Marisa Valdata Dottorato 2014

20. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleAccelerazione elettrostatica L’energia finale è determinata dalla tensione elettrica disponibile: W=eV Esistono quindi limiti tecnologici per un generatore di tensione continua (15-20MV) Marisa Valdata Dottorato 2014

21. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleAccelerazione elettrostatica I campi elettrostatici sono conservativi  la differenza di potenziale V può essere usata una sola volta. Marisa Valdata Dottorato 2014

22. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleAccelerazione RF Marisa Valdata Dottorato 2014

23. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di Particelle Accelerazione RF Marisa Valdata Dottorato 2014

24. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di Particelle Accelerazione RF Marisa Valdata Dottorato 2014

25. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di Particelle Accelerazione RF Marisa Valdata Dottorato 2014

26. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di Particelle Accelerazione RF Marisa Valdata Dottorato 2014

27. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di Particelle Accelerazione RF Marisa Valdata Dottorato 2014

28. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di Particelle Accelerazione RF Marisa Valdata Dottorato 2014

29. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di Particelle Accelerazione RF Marisa Valdata Dottorato 2014

30. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleCampo magnetico uniforme Per una particella di carica e in un campo magnetico uniforme: Forza di tipo centrale con conwcostante e r raggio dell’orbita (raggio di ciclotrone). Se B è ortogonale a v allora: p=bgmc=eBr Per una particella di carica pari a quella dell’elettrone : p(GeV/c) 0.3B(T)r(m) Marisa Valdata Dottorato 2014

31. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleCampo magnetico uniforme Marisa Valdata Dottorato 2014

32. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleIntensità del fascio di particelle Si distingue normalmente in: • Flusso istantaneo, espresso normalmente in ppp (particelle per impulso della macchina, cioè alla fine del ciclo di accelerazione. (burst) • Corrente media, carica accelerata per unità di tempo, espressa in mA e mA e talvolta in pps(particelle al secondo). Ad esempio l’ SpS ha una corrente media di 0.3 mA. Marisa Valdata Dottorato 2014

33. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleIntensità del fascio di particelle Burst e Bunch Supponiamo di accelerare le particelle (fascio continuo) con dei campi elettrici variabili nel tempo (sinusoidali) . Le particelle che non sono in fase con quella sincrona (cioè quella che riceve la giusta accelerazione), vengono in parte perse (almeno metà) ed in parte si compattano vicino a quella sincrona.  Le particelle si compattano in pacchetti (bunch). Alla fine di ogni ciclo di accelerazione estraggo un burstdi particelle. Marisa Valdata Dottorato 2014

34. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleIntensità del fascio di particelle Bunch…. Se un fascio continuo di particelle entra in una RF metà delle particelle vede il campo con una fase sbagliata, poiché E varia sinusoidalmente perdo metà delle particelle Consideriamo un sistema cavità RF, ed un guadagno di energia eVs (linea tratteggiata). Le particelle M1, N1, M2, N2 sono stabili (sincrone), perché vedono sempre la stessa fase del campo elettrico. La particella P che arriva prima si trova E più piccolo e viene quindi accelerata meno  nel tubo successivo arriva più vicina ad M2. La particella P’, che arriva dopo viene accelerata di più e nel tubo successivo anch’essa sarà più vicina ad M2. • M1 ed M2 sono punti stabili per l’accelerazione. N1 ed N2 sono invece punti instabili in quanto le particelle in Q’ e Q si allontanano da N2 nel tubo successivo.  Particelle che entrano nel campo elettrico nella fase discendente si perdono. Marisa Valdata Dottorato 2014

35. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleIntensità del fascio di particelle Nel caso di anelli di collisione ho normalmente dei fasci in pacchetti (bunches).In alcuni punti un bunch colpisce un altro bunch che si muove in senso opposto. In questo caso più che di intensità dei fasci si parla di luminosità. Per introdurre il problema consideriamo un fascio singolo che interagisce con una targhetta lunga l e densa n2 particelle. Per ogni particella del fascio N=sintn2l Se il fascio è di n1 particelle/s allora la velocità (rate) di conteggio è: R=dN/dt=sintn2n1l=sintL L= rate di interazioni per sezione d’urto unitaria (cm-2s-1) Marisa Valdata Dottorato 2014

36. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleIntensità del fascio di particelle In un Collider importano: • La densità dei fasci • Le dimensioni e l’allineamento dei pacchetti • L’angolo di incrocio Per semplificare il caso consideriamo 2 singoli bunch che collidono fra loro ad angolo 0. La densità di particelle per unità di area nel piano trasverso sia distribuita secondo una gaussiana identica per entrambi i bunch: Marisa Valdata Dottorato 2014

37. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleIntensità del fascio di particelle • Il numero di particelle del fascio 1 in un elemento di area dxdy centrata in x,y è: • La probabilità d’interazione di una particella del fascio 1 che si trova in x,y = numero di particelle del fascio 2 che si trovano in un area pari alla sezione d’urto d’interazione. Marisa Valdata Dottorato 2014

38. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleIntensità del fascio di particelle Il numero totale di interazioni per bunch e per incrocio è: Se abbiamo k pacchetti in ogni fascio (2 k punti di incrocio) e se f è la frequenza di rivoluzione il rate per incrocio è: Marisa Valdata Dottorato 2014

39. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleIntensità del fascio di particelle Per cui: Oppure usando le correnti i=nef Marisa Valdata Dottorato 2014

40. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleIntensità del fascio di particelle Nel caso di Luce di Sincrotrone si parla di BrightnesseBrilliance. • Brightness= numero di fotoni dn nell’intervallo di tempo dt che passano nell’angolo solido dW diviso per lo 0.1% della larghezza della banda dl/l. • Brillianceè la brightness per area S della sorgente Marisa Valdata Dottorato 2014

41. Fisica ed Applicazioni degli Acceleratori di ParticelleFattore di utilizzo Il Fattore di utilizzo (Duty Cycle) è la frazione del tempo in cui le particelle sono disponibili. Se abbiamo a che fare con esperimenti su targhetta fissa ed estraiamo il fascio dall’acceleratore ed il burst dura 1 s ed il ciclo di accelerazione 10 s Duty cycle=10% Marisa Valdata Dottorato 2014