Rivelazione di particelle

1. Rivelazione di particelle 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 roberto spighi, Bologna 13 marzo 2014

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? -1 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. KAONI MUONI PIONI Perchè gli acceleratori? 2 E = Mc2 ENERGIA MASSA + ACCELERATORE POTENTE  + PRODUCE PARTICELLE ALTA ENERGIA  PRODUCONO ALTRE PARTICELLE  STUDIO INFINITAMENTE PICCOLO

7. 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

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

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

10. LHC CERN (GINEVRA) 27 KM CIRC. CERN Beam pipe Bunch 1011 protoni Bunch 1011 protoni 2012: >10•106urti/s E = 8 TeV (> eurostar a 200 km/h)

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

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

13. 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

14. 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

15. Silicon Tracker: 13 strati 76 M canali Pixel: 100x150 μm Strip: 80 x 180 μm 25 cm x 180 μm Precisione sul vertice ~ 15 μm Precisione su impulso = 1.5% CMS: Tracciatori e rivelatori di vertice

16. 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 -

17. Magnete superconduttore di CMS B = 4 Tesla 100 K > terra Lungo 13 m Diametro 6 m Peso ~ 12 T T = -269 °C solenoide

18. Il riconoscimento delle particelle identificazione 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

19. 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

20. ... 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

21. rivelatori di muoni Rivela muoni e ne misura l’impulso Rivelatore più esterno e più grande Muoni sono “poco interagenti”  se attraversano materiali perdono poca energia  ~unici ad arrivare a questo rivelatore

22. Identificazione delle particelle rivelazione

23. Riconoscimento delle principali particelle Tracciatore Tracciatore Calo em Calo adr Elettroni Positroni muoni Tutti gamma Calo em Adroni neutri (neutroni) Calo Adr Adroni carichi (protoni) neutrini

24. 3x10-25 Tempo (s) 0 Spazio (m) 10-18 0 MASSA 91.188 ± 0.002 GeV Ricostruzione degli eventi, Z0 Z0 particella instabile  decade, non si misura direttamente μ+ (e+) Z0 μ-(e-) Z0 ricostruita da e/μ o con conservazione Energia/Impulso

25. CMS: Evento con Z0: visione in prospettiva Tracciatore Rivelatore di muoni

26. 2 tracce cariche che arrivano al rivelatore di muoni 2 MUONI di carica opposta CMS: Evento con Z0: visione trasversa tracciatore calorimetri Rivelatore di muoni carica +  senso orario Z0 μ+μ-

27. ν invisibile: si ricostruisce come energia mancante Ricostruzione degli eventi, W W particella instabile: creata, vive e decade W+ μ+νμ W+ e+νe Riconoscere μ e ν W- μ-νμ W- e-ν μ+ (e+) W+ νμ(νe)

28. CMS: Evento con W: visione in prospettiva Rivelatore di muoni Tracciatore

29. molta energia mancante (freccia gialla lunga) NEUTRINO Weν Traccia carica che si ferma nel cal em ELETTRONE CMS: Evento con W: visione trasversa tracciatore calorimetri Rivelatore di muoni

30. Z0 Z0 γγ H γ γ Ricostruzione degli eventi, Higgs HZ0Z0 μ+ μ- e+e- , μ+ μ-μ+ μ- , e+e- e+e- μ+ μ- H e+e- γ γ H

31. CMS: Evento con H: visione in prospettiva HZ0Z0 μ+ μ- e+e- Rivelatore di muoni Calorimetro

32. γγ H CMS: Evento con H: visione trasversa HZ0Z0 μ+ μ- e+e- 2 fotoni (segnale nel cal em) 2 elettroni 2 muoni

33. 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 noi Vi accoglieremo a braccia aperte Grazie a tutti, studenti e professori

34. Backup slides

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

36. 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

37. 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)