Hands on Physics
Acceleratori e rivelatori
di particelle
dott. Francesco Perfetto
Napoli, 24 Febbraio 2011
Introduzione
Quali sono gli strumenti di lavoro di un fisico che studia
le particelle elementari ?
Rivelatori
Acceleratori
– Perché gli acceleratori ?
–Tipologie di rivelatori
– Generazione delle particelle
–Tracciatori
– Tipologie di acceleratori
–Calorimetri
– Modo di utilizzo
–Apparati per esperimenti
–Esempi di rivelazione
24 Febbraio 2011
F. Perfetto
Premessa
Qual e il “rivelatore” più familiare ?
L’occhio umano è un rivelatore di
particelle: i fotoni
24 Febbraio 2011
F. Perfetto
Premessa
Altri modi per “vedere” ?
Es.: per sottrazione
24 Febbraio 2011
Es.: infrarossi
F. Perfetto
Premessa
... altri modi per “vedere”
Ultrasuoni
Luce “energetica” (raggi X)
24 Febbraio 2011
Perché si usano i raggi X e gli
ultrasuoni e non la luce ed il
suono “normali” per “illuminare” ?
F. Perfetto
Premessa
Noi “vediamo” la materia subatomica perché la colpiamo con
particelle prodotte dagli acceleratori che rimbalzano sui
rivelatori
24 Febbraio 2011
F. Perfetto
Esempio
Dal modo in cui rimbalzano riusciamo a capire
molte caratteristiche delle particelle
24 Febbraio 2011
F. Perfetto
Esperimento di Rutherford
Ernest Rutherford
1909
24 Febbraio 2011
F. Perfetto
Arghhh !!!
Sottotitolo: Un pizzico di Meccanica Quantistica
Una particella si comporta anche come un’onda (cioè come la luce): la sua lunghezza d’onda è tanto
più piccola quanto più è grande la sua energia.
Lunghezza d’onda piccola = capacità di “infilarsi” in spazi piccoli = possibilità di esplorare cose piccole
più è microscopico il mondo che vogliamo esplorare,
più deve essere grande l’energia delle particelle che
usiamo per osservarlo
24 Febbraio 2011
F. Perfetto
Perché energie sempre maggiori ?
 = h/p
Più energetica la sonda, più fine il particolare accessibile
24 Febbraio 2011
F. Perfetto
{
Perché “alte energie” ?
La luce si comporta anche come
un insieme di corpuscoli di energia
E = hν
FATTI SPERIMENTALI
Le particelle si comportano
anche come onde di frequenza
ν = E/h
λ=c/ν= hc/E
h = 6.62 • 10-34 J • s
se E cresce λ diminuisce
Per esplorare l’infinitamente piccolo
E deve diventare molto grande
24 Febbraio 2011
F. Perfetto
Definizione eV
1 eV è l’energia cinetica acquistata da
un elettrone sottoposto ad una
differenza di potenziale di 1 volt
1012 eV = TeV
109 eV = GeV
106 eV = MeV
1 eV rappresenta un’energia molto piccola
1 eV = 1V • 1.602•10-19 C = 1.602•10-19
joules
Lampadina da 100 W
accesa per 1 ora
360.000 joules
2.24•1024 eV
24 Febbraio 2011
Auto da corsa v = 370 km/h
4.500.000 joules
28.•1024 eV
F. Perfetto
103 eV = keV
Caldaia 12.600 kcal in
funzione per un’ ora
52.000.000 joules
12
324•1024 eV
La “TeV-ape”
Consideriamo un’ape che vola percorrendo 50 cm ogni 10 secondi
mape = 0.0001 kg
K = ½ m v2 = 1.25· 10-7 joules
vape = 0.05 ms-1
K = .78 TeV
Ha senso spendere miliardi di euro per costruire LHC ???
Assumiamo che la TeV-ape sia fatta al 100% di
6 C
12
Na = 6.022•1023 Natomi/mole
Natomi = m∙Na/pesoatomico = 5•1021
Nnucleoni = 6•1022
I protoni accelerati in LHC dovrebbero arrivare fino a 7 TeV
24 Febbraio 2011
F. Perfetto
Da dove prendiamo le particelle?
Piovono dal cielo!
I primi fasci di particelle per gli studi
di fisica nucleare e subnucleare erano
costituiti o da particelle  (E = 10 MeV)
o dai raggi cosmici
Protoni e fotoni primari provenienti dallo
spazio generano particelle secondarie
nell’urto con i nuclei dei gas atmosferici
(100 particelle a m2 sul livello del mare)
Esistono raggi cosmici molto energetici
ma rari ad arrivo casuale
ACCELERATORI
24 Febbraio 2011
F. Perfetto
Generazione di particelle
L’esempio più semplice di generatore di elettroni è un filamento caldo,
come quello di una lampadina
Gli elettroni sono estratti dal catodo e, viaggiando verso l’anodo positivo,
acquistano un’energia uguale alla loro carica moltiplicata per la differenza di
potenziale applicata tra catodo e anodo
I protoni sono il nucleo
dell’atomo di idrogeno.
Applicando la differenza
di potenziale al gas di
idrogeno si accelerano i
protoni
La differenza di potenziale tra
due elettrodi viene usata per
accelerare le particelle.
24 Febbraio 2011
E = qV
F. Perfetto
L’energia massima raggiungibile
è data dal limite di tensione oltre
il quale si possono avere scariche
elettriche
Come le facciamo muovere?
La forza di Lorentz descrive il moto di una particella in un acceleratore
24 Febbraio 2011
{
{
CURVATURA E
FOCHEGGIAMENTO
ACCELERAZIONE
F. Perfetto
Come le facciamo muovere?
• Campi elettrici per accelerare
• Campi magnetici per curvare
Impulso
minore
E=100 eV
-
24 Febbraio 2011
+
100 V
F. Perfetto
N
Impulso
maggiore
S
Carica
opposta
Come funziona un acceleratore?
Qual è l’acceleratore più comune?
Il Televisore !!!!!!!
E = 20000 eV
24 Febbraio 2011
F. Perfetto
Acceleratori
Esistono diversi tipi di acceleratori:
Lineari
24 Febbraio 2011
Circolari
F. Perfetto
Tipologie di acceleratori
Circolari
Vantaggi: Le particelle attraversano più volte la
stessa cavità. Ad ogni giro tali pacchetti acquistano
energia grazie al campo elettrico accelerante (a
radiofrequenza)
Svantaggio:
perdono
energia
a
causa
della
RADIAZIONE DI SINCROTRONE EMESSA (a sua
volta costituisce una sonda utilizzata in vari campi)
nei magneti curvanti.
Una particella carica che viaggia lungo una
traiettoria curva perde energia
24 Febbraio 2011
F. Perfetto
Modo di utilizzo
Bersaglio fisso
Acceleratore
Rivelatori
Esperimento
di Rutherford
24 Febbraio 2011
F. Perfetto
Modo di utilizzo
Collisori
Nel 1961 Bruno Touschek ebbe l’dea geniale di utilizzare lo
stesso acceleratore per far collidere materia e antimateria.
Tutta l’energia della collisione è
disponibile ad essere convertita
24 Febbraio 2011
E=29 GeV
F. Perfetto
E=900 GeV
24 Febbraio 2011
F. Perfetto
LHC al CERN (dal 2008)
Il collisore protone-protone a più alta energia:
14000 GeV
10 Febbraio 2010
24 Febbraio 2011
F. Perfetto
LHC: The Large Hadron Collider
LHC è l'acceleratore di particelle più
grande
e
potente
mai
realizzato
dall'uomo, progettato per far collidere
protoni ad un'energia nel centro di
massa di 14 TeV, mai raggiunta fino ad
ora in laboratorio.
I componenti più importanti del LHC sono
gli oltre 1600 magneti superconduttori
raffreddati alla temperatura di 1.9 K (271,25 °C) da elio liquido superfluido
che realizzeranno un campo magnetico
di circa 8 Tesla, necessario a mantenere
in orbita i protoni all'energia prevista. Il
sistema criogenico di LHC è il più grande
che esista al mondo oltre ad essere il
luogo massivo più freddo dell'universo.
24 Febbraio 2011
F. Perfetto
Rivelatori
Bene, abbiamo fatto sbattere due particelle. E ora?
• Posizione e direzione del moto
• Carica elettrica
• Energia
• Impulso
• Massa
• Tempi di vita
…viene fuori un sacco di roba. Cosa ci interessa misurare?
24 Febbraio 2011
F. Perfetto
Rivelatori di particelle
Nella fisica sperimentale, un rivelatore di particelle o rivelatore di radiazione è
uno strumento usato per rivelare, tracciare e identificare particelle. (Wikipedia)
elettronica
di lettura
area
attiva
I rivelatori di particelle sono strumenti che producono un segnale
osservabile quando vengono colpiti da una particella. Sono solitamente
costituiti da un elemento attivo (con cui interagisce la radiazione) e da un
sistema di lettura (che forma il segnale e lo invia all’acquisizione dati)
24 Febbraio 2011
F. Perfetto
Rivelare le particelle
Tutte le particelle, attraversando la materia, perdono una parte
della loro energia.
– Particelle cariche: urti anelatici con gli elettroni degli atomi
che incontrano;
– Tutti gli adroni (carichi e neutri) per reazioni nucleari con i
nuclei che incontrano;
– Elettroni emettono luce “frenando”
– Fotoni possono creare coppie e+ e– Neutrini hanno solo l’interazione debole.... “sfuggono” ai
nostri rivelatori lasciando “poche tracce”!
– Muoni perdono poca energia, sono più penetranti
24 Febbraio 2011
F. Perfetto
Rivelare le particelle
• Alla base di tutti i rivelatori c’è il principio di
convertire questa energia rilasciata in “segnali”
concreti da “rivelare”.
• Tecniche diverse a seconda del tipo di particella da
rivelare.
• Ad esempio un rivelatore di fotoni deve essere
necessariamente diverso da un rivelatore di muoni.
24 Febbraio 2011
F. Perfetto
Caratteristiche dei rivelatori
Sensibiltà: capacità di produrre un segnale utile per un certo tipo di
radiazione e di energia. Nessun rivelatore può essere sensibile a tutti i tipi
di radiazione. Ogni rivelatore è progettato per essere sensibile ad un tipo
di radiazione in un certo intervallo di energia.
Risposta: tipo di segnale utile prodotto. Spesso il segnale prodotto da un
rivelatore è un impulso di corrente la cui ampiezza è proporzionale
all’energia rilasciata dalla particella.
Risoluzione: differenza minima di una grandezza fisica misurata (es. energia)
necessaria perché il rivelatore possa distinguere due misure vicine. Si
esprime in termini di deviazione standard della distribuzione della
grandezza misurata.
Es.: Risoluzione spaziale. E’ la distanza minima alla quale un rivelatore
distingue il passaggio di due particelle.
24 Febbraio 2011
F. Perfetto
Caratteristiche dei rivelatori
Efficienza: efficienza assoluta: frazione di particelle rivelate dal
rivelatore rispetto a quelle emesse dalla sorgente. Efficienza
intrinseca: frazione di particelle rivelate dal rivelatore rispetto a
quelle che lo colpiscono.
Tempo morto: tempo necessario al rivelatore per formare il segnale
dopo che è passata la particella. Dipende molto dall’elettronica di
lettura. Il tempo morto può ridurre l’efficienza se il rivelatore non
è in grado di rivelare una particella perchè ancora impegnato a
processare l’evento precedente. Questo fenomeno aumenta quanto
più è elevata la frequenza di arrivo delle particelle.
24 Febbraio 2011
F. Perfetto
Emulsioni Fotografiche
Nei primi esperimenti con i raggi cosmici si inviavano
lastre fotografiche sui palloni aerostatici.
Le particelle cariche “impressionano” le lastre
fotografiche lasciando una scia del loro passaggio.
0,1 mm
24 Febbraio 2011
F. Perfetto
Scintillatori
Una particella carica genera una luce scintillante in
particolari cristalli
fotomoltiplicatore
Scintillatore
guida di luce
Per misure di tempo
errore ~ns (10-9 s)
24 Febbraio 2011
F. Perfetto
Rivelatori
2 famiglie fondamentali: tracciatori e calorimetri
Sistema calorimetrico
24 Febbraio 2011
F. Perfetto
Un
Unsistema
sistemacalorimetrico
di tracciatura
determina
della della
determinal’energia
la traiettoria
particella
Particella
La
particella
viene
Rivela
solo particelle
cariche.
completamente
assorbita
Se immerso in un
campo
magnetico B si riescono a
A differenzaanche
di sistemi
di
determinare
la carica
tracciatura
può rivelare
Q
particelle
neutre
ed anche
il momento
P
(fotoni, neutroni)
La particella subisce una
minima perdita d’energia nel
sistema
Rivelatori a Gas
Le particelle cariche ionizzano il gas
Gli elettroni prodotti
vengono raccolti sull’anodo
Gas
d = v·(tf – ti)
tf
Dal tempo di “deriva” si misura lo
spazio percorso
ti
24 Febbraio 2011
scintillatore
F. Perfetto
Camere a filo
Prof. Charpak Premio Nobel del 1992 per
l’invenzione delle camere a multifilo (1968)
Camera a fili di KLOE
24 Febbraio 2011
F. Perfetto
Calorimetri
Un calorimetro è un rivelatore di particelle che misura l’energia di una
particella
particella incidente
La particella interagendo con il
calorimetro crea uno sciame e
viene completamente assorbita
Il segnale prodotto è
proporzionale all’energia della
particella:
S = kE
24 Febbraio 2011
calorimetro
Esistono 2 tipi di calorimetri:
Calorimetri Elettromagnetici (rivelazione
di elettroni, positroni e fotoni)
Calorimetri Adronici (rivelazione di adroni
carichi e neutri: p,n,π,K)
F. Perfetto
Esperimento ai collider
Struttura a “cipolla”
• Tracciatori
• Calorimetro per elettroni
e fotoni
• Calorimetro per adroni
• Tracciatori per muoni
• Magneti per curvare
24 Febbraio 2011
F. Perfetto
Esperimento ai collider
24 Febbraio 2011
F. Perfetto
Esperimento ai collider
24 Febbraio 2011
F. Perfetto
Cosa manca?
I neutrini !
Interagiscono così poco con
la materia che sono capaci di
attraversare indisturbati la
terra da parte a parte
Energia e Impulso si conservano!
Si possono però ottenere
informazioni su di loro per
differenza tra l’energia e
impulso iniziale e quelle
misurate
24 Febbraio 2011
F. Perfetto
L’esperimento ATLAS
• 7000 tonnellate di
peso
• La torre Eiffel pesa
10000 tonnellate
• 3000 km di cavi
• Coprono la distanza
Napoli Parigi e ritorno
• 100 milioni di canali di
elettronica per la
raccolta dei dati
24 Febbraio 2011
F. Perfetto
L’esperimento ATLAS
Partecipazione Italiana
I numeri:
• 12 sezioni INFN
• 35 Nazioni
• 172 Scientific Authors
• 164 Instituti di
Ricerca
• 10 % circa della
collaborazione la
maggiore comunità
europea
• 1800 people circa
24 Febbraio 2011
F. Perfetto
L’eperimento ATLAS
Prof. Higgs
24 Febbraio 2011
F. Perfetto
2008
L’esperimento ATLAS
2008
Prof. Hawking
24 Febbraio 2011
F. Perfetto
L’esperimento ATLAS
2008
Angela Merkel
24 Febbraio 2011
F. Perfetto
L’esperimento ATLAS
2008
24 Febbraio 2011
F. Perfetto
Conclusioni
• Gli acceleratori sono strumenti fondamentali
per produrre e studiare le particelle
elementari
• Alte energie servono sia per produrre
particelle nuove con masse maggiori che per
indagare a distanze sempre più piccole
• Le tecniche di rivelazione delle particelle
elementari sono applicate anche alla medicina
e alla biologia (TAC, PET, RMN...)
• Sviluppo di elettronica e software di
frontiera
24 Febbraio 2011
F. Perfetto
Il collisore protone-protone a più alta energia:
14000 GeV
Il collisore protone-protone a più alta
energia:
14000 GV