Come fanno i ricercatori a
vedere le particelle?
Alessandro Scordo
AISTAP Summer Camp 2013
11/07/2013 LNF, Frascati
Telescopi
Occhio umano
Microscopio
Acceleratori
Rivelatori di particelle
Cosa possiamo misurare e come?
Energia
Posizione
Tempo
Tracce
Rate
Impulso (o energia???)
Massa (o energia???)
Molteplicità
Proprietà elettroniche degli atomi
Tutti vogliono essere
nobili!!!
L’acqua è un buon
esempio….
Proprietà elettroniche dei materiali
Livelli atomici
Bande molecolari
Bello....come si usa???
Che succede se qualche elettrone
salta in banda di conduzione?
1) Drift: un campo elettrico può
muovere questi elettroni
promossi
2) Moltiplicazione: effetto
quantistico che si innesta se il
campo è sufficientemente
intenso
3) Ricombinazione: se nessuno fa
niente gli elettroni tornano a
posto
I fisici devono essere svegli e intelligenti…
h+
h+
h+
h+
holes !!!
Particelle attraverso la materia
Una particella che attraversa
il rivelatore rilascia coppie e-h
e- e h+ vengono raccolte all’anodo e al
catodo (più velocemente possibile….)
Grazie ad un campo elettrico si crea
una corrente che sarà proporzionale al
numero di cariche generate (a sua volta
proporzionale all’energia rilasciata dalla
particella)
Misure di energia: la formula di
Bethe Bloch
Un caso reale: studiamo un evento
in KLOE
Calorimetro
Si misura l’energia cinetica delle
particelle (anche neutre) dalla quale si
può risalire ad altre proprietà
e+ + e- -> F -> K+ + K-
Drift Chamber
Si misura l’energia rilasciata dalle
particelle (cariche) e si vedono le tracce;
da questo si può risalire ad altre
proprietà
Calorimetro: come funziona?
Fotoni
Adroni
Drift Chamber: come
funziona?
Possiamo ricostruire tracce, carica, velocità,
impulso ed energia….come?
Qualche formuletta....
Energia totale relativistica
Massa a riposo
Impulso relativistico
Fattore relativistico
<< 1 nel caso classico
Energia cinetica relativistica
Un caso reale: studiamo un evento
e+ + e- -> F
K+
p
K-
p-
g
(p0)
g
Identifichiamo le particelle cariche:
Drift Chamber
Ecco i nostri protoni e pioni !!!
Identifichiamo le particelle cariche:
calorimetro
Ecco i nostri protoni e
pioni !!!
Ci manca un p0:
Time of Flight (TOF)
p-
m-
e-
Ci manca un p0: calorimetro
p0 --> g + g
V = Ri / Tcl
g
(p0)
g
Ci manca un p0: calorimetro
M(p0) ~ 135 MeV/c2
Posizione dei vertici
p
p-
Inizio DC
Beam Sphere (DAFNE)
Beam Pipe (DAFNE)
La quantizzazione in tasca…
SiPM : misuriamo un fotone
Ecco il segnale in uscita sull’oscilloscopio:
V R  i
Q
i
t
Legge di Ohm
Definizione di corrente
t1
Qtot   i  dt  area
t0
Definizione di carica
b (time)
h (Volt Ω)
bh
Q
2
V  (20  5)mV
t  (25  5)ns
V  t 2 10  2 V  25 10 9 s 
Qtot 

 5 10 12 C
2 R
2  5 10
Qtot  Qe   Adet  Apreamp
Qtot
5 10 12
19
Qe  


1
,
3

10
C
5
Adet  Apreamp 7,5 10  5 10
E’ giusto?
gli errori sono importanti…..
1
Qe  
2 RAdet Apreamp
t  V
2
2
 V  t
2
2
V  5 10 V
3
t  5 10 s
9
Qe  0,4 10 C
19

19
Qe   1,3 10 C
30 % di errore per colpa del vostro
occhio ( e non solo…)
We got a signal...
and now what?
Analog – Digital conversion
Digital signal; signal is a function of
discrete numbers, F(N)
Analog signal; signal is a function of
continuous numbers, usually time, F(t)
The world is analogic but Pc and analysis
software can only work with digital
informations…..
Analog signal have to be converted to digital signals!
Analog – Digital conversion
Sampling
Quantization
Analog – Digital conversion
channels
Analog – Digital conversion
In this world…..
….this is poker !!!
Analog – Digital conversion
Converting analog signals into digital signals, some information
may be lost … but are they really necessary?
From analog signals to files and
histograms:
Data AQuisition methods
DAQ : Discriminators
DAQ : QDC (charge to digital converter)
QDC values
(integer numbers)
Histograms
DAQ : TDC (time to digital converter)
DAQ : Scaler
4 events in 10 seconds
Rate = 0,4 Hz
Questions?
New physicists?