Gli Acceleratori e i Rivelatori di Particelle
Wander Baldini
Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
cominciamo con gli acceleratori…
Un acceleratore di particelle e’ un
“dispositivo” che consente di accelerare
particelle (es: elettroni e protoni) fino ad
energie molto alte
E costituito tipicamente da una serie di
magneti disposti ad anello che
contengono ed accelerano le particelle
ad ogni giro
I piu’ importanti si trovano a:
• CERN (Ginevra)
L=27km E = 14TeV
• Fermilab (Chicago) L=6.28 km E = 2TeV
un elettronvolt (eV) e’ l’energia che
acquista un elettrone se accelerato da
una differenza di potenziale di 1V
I rivelatori di particelle servono a “vedere”
cosa succede quando si scontrano
le particelle negli acceleratori
Un “Evento” visto dall’Event
Display del rivelatore CMS al
CERN, approfondiremo in
seguito….
Come rivelare una particella
Per rivelare una particella occorre che questa
interagisca con la materia
Di fondamentale importanza dunque il
concetto di interazione
• Gravita’
• Debole
• Elettromagnetica
(e.m.)
• Forte
Come interagiscono le particelle con la materia:
Siamo qui interessati in particolare a capire come
possiamo rivelare i vari tipi di particelle
Le interazioni utilizzate per realizzare i
rivelatori di particelle sono:
 ELETTROMAGNETICA
 FORTE
Infatti la “forza relativa” dei 4 tipi di interazione:
 forte :
1
 e.m. :
1/137
Troppo
-5
 debole:
~10
deboli!!
-40
 gravitazionale:
~10
Quarks / Adroni
Quarks:
u, c, t: hanno carica +2/3
d, s, b: hanno carica -1/3
Non esistono liberi ma sono
confinati negli adroni
Adroni, sono combinazioni di 2 o 3
quarks:
Mesoni: 2 quarks, p±, p0 (pioni)
Barioni: 3 quarks, p,n,…
n (udd)
p (uud)
Hanno massa grande:
 p,n : ~ 940 MeV
 p±, p0 : ~ 140 MeV
Interagiscono sia e.m. che forte e
ne esistono di molti tipi
I piu’ importanti sono protone (p),
neutrone (n), pione (p)
I Leptoni
• Elettrone e± 0.5 MeV
• Muone
μ± 105 MeV
• Tau
t± 1800 MeV
• Neutrini
n < 2 eV
e±, μ± , t± Interagiscono
e.m. e sono carichi
elettricamente
I neutrini interagiscono solo
debole e dunque sono
difficilissimi da rivelare
I bosoni vettori delle varie interazioni
Secondo la meccanica quantistica una interazione tra particelle
avviene attraverso lo scambio di un’altra particella chiamata
“bosone vettore”
Il vettore dell’interazione e.m. e’ il fotone g
I vettori delle interazioni deboli sono Z0 , W±
Il vettore delle interazioni forti si chiamano gluoni (g)
e sono 8
Il comportamento di una particella nella materia dipende
essenzialmente da come interagisce e dalla sua massa
All’interno di un materiale la particella interagisce con gli
elettroni atomici e/o con i nuclei
Le particelle con carica e.m. perdono energia gradualmente
urtando principalmente gli elettroni atomici e liberando delle
cariche elettriche nel materiale
Le particelle con carica forte (adroni) interagiscono anche
tramite interazione forte con i nuclei
N
N
e-
N
e-
ee-
N
N
N
e-
e-
N
e-
Elettroni e positroni (e-e+)
hanno la stessa massa degli elettroni atomici
percio’ negli urti perdono molta energia e si
fermano facilmente
interagiscono solo e.m. (quindi non interagiscono
tramite interazione forte con i nuclei) ±
e
N
N
e-
N
e-
e-
e-
N
N
N
e-
e-
N
e-
Muoni m+ mhanno una massa molto maggiore degli elettroni
atomici ( 200 volte) percio’ negli urti perdono poca
energia
interagiscono solo e.m. (quindi non interagiscono
forte con i nuclei)
Sono dunque molto penetranti (servono molti metri di
materiale per fermarli)
m±
N
N
e-
N
e-
ee-
N
N
N
e-
e-
N
e-
Gli Adroni
hanno anche loro una massa molto maggiore degli
elettroni atomici (>300 volte) percio’ negli urti perdono
poca energia
interagiscono sia e.m. con gli elettroni che forte con i
nuclei e possono essere carichi (es. p, p±), che neutri (es.
n, p0)
Sono dunque molto penetranti (≈ 1m) ma non quanto
i muoni m
p,n…
N
N
N
e-
e-
e-
e-
N
N
N
e-
e-
N
e-
Vari tipi di rivelatore: Sistemi di tracciamento
misurano la direzione di particelle cariche senza deviarle
Quindi devono essere costituiti da materiali poco densi (gas)
o da strati molto sottili (semiconduttori o fibre ottiche
plastiche)
Devono avere piu’ stadi per misurare la direzione della
“traccia”
Vedono solo le particelle cariche
+
+
Sistemi di tracciamento
+
+
Particella carica
Vari tipi di rivelatori: Calorimetri
misurarano l’energia delle particelle fermandole (cioe’ assorbendo
tutta la loro energia).
Quindi devono essere costituiti da materiali molto densi (esempio
Pb, Fe, ..)
Possono essere
 e.m. :
ottimizzati per misurare l’energia di
elettroni e fotoni
 adronici : per misurare l’energia degli adroni
e.m. adronico Rivelatore
e± , g
h
m±
di muoni
Il rivelatore dei muoni: e’
posto dopo ai calorimetri,
dove arrivano (quasi) solo
i muoni
Riassumendo: il comportamento delle le varie particelle
Vista schematica di un tipico rivelatore
di particelle
LHC: il Large Hadron Collider
Alpi
Lago di Ginevra
Jura
Fiume Rodano
Circonferenza: 27 km
4 punti di interazione
100 metri sotto terra
19
Il Complesso di acceleratori del CERN
7 TeV
450 GeV
25 GeV
50 MeV
1.4 GeV
Il CERN e LHC
• Fondato nel 1954, al fine di unire le conoscenze europee nel campo
della fisica nucleare, da 12 paesi europeei tra cui l’Italia
• Oggi conta 2400 impiegati, 10000 “visiting scientists”, collabora con 608
universita’ e 113 paesi di tutto il mondo.
• LHC fa collidere protoni ad una energia totale di 14 TeV (7 per fascio) in
un tunnel circolare scavato ad una profondita’ media di 100m, per non
deturpare l’ambiente e per schermare le radiazioni
• La circonferenza e’ 27 chilometri, e’ composto da migliaia di magneti, tra
cui 1232 magneti dipolari (15m) per deflettere la particelle, 392
magneti quadripolari (7m) per focalizzarle, il tutto tenuto ad una
temperatura di circa -271 °C
• Il consumo energetico totale e’ di 120 MW (quanto l’intera Ginevra),
dovuto in gran parte al sistema di raffreddamento
• Il costo complessivo del progetto e’ di circa 6.5 GEuro , di cui 5 G-euro
per LHC, 1.35 G-euro per i 4 rivelatori, 150 M-euro per il computing
Nel pomeriggio analizzeremo degli eventi visti dal rivelatore
CMS: Compact Muon Solenoid
Un esempio di “evento” visto nel rivelatore CMS
J/Ψ  μ+ μ- ???
La particella J/Ψ e’ formata
da una coppia di quarks charmanticharm ed e’ una cosiddetta
“risonanza” ossia una particella
che vive per un tempo
brevissimo (<10-15 s)
SI
SI
Carica opposta
NO
Stessa carica
La risonanza J/Ψ e la sua “massa invariante”
Quando una particella instabile come la J/psi decade, per la
conservazione del 4-vettore energia-impulso, le particelle in cui
decade devono avere caratteristiche cinematiche ben definite, molto
utili per riconoscere questi decadimenti
Visto che abbiamo a che fare con particelle che viaggiano quasi
alla velocita’ della luce dobbiamo usare la cinematica relativistica
(mJ / c )  (E1 + E 2 ) - p1 + p2
2 2
2
Massa invariante della
J/Ψ
2
m+
(E1, p1)
m
(E 2, p2 )
J/Ψ  μ+ μ-
m J /

-