Rivelatori per la Fisica delle Alte Energie. a.a Marisa Valdata

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1 Rivelatori per la Fisica delle Alte Energie a.a Marisa Valdata Da semplici idee Ad apparati complicati 1

2 Lezione 1. Programma Bibliografia Introduzione

3 PROGRAMMA Introduzione Cenni su acceleratori di particelle e fasci estratti Interazione delle particelle con la materia Perdita di energia per ionizzazione Scattering multiplo Lunghezza di radiazione Sciami elettromagnetici Radiazione Cerenkov e di transizione Rivelatori di particelle Rivelatori di posizione e tracciamento a gas e di silicio Scintillatori organici ed inorganici,fotomoltiplicatori, fibre scintillanti Calorimetria: calorimetri omogenei ed a sampling. Identificazione di particelle: misure di de/dx, tempi di volo, rivelatori Cerenkov, rivelatori di radiazione di transizione. 3

4 BIBLIOGRAFIA TESTI C. Grupen,Particle Detectors, Cambridge University Press, 1996 R. Fernow, Introduction to Experimental Particle Physics,Cambridge University Press, 199 W.R.Leo, Tecniques for Nuclear and Particle Physics Experiments, Springer Verlang,

5 BIBLIOGRAFIA Altri utili testi: Dan Green, The Physics of Particle Detectors, Cambridge University Press,000 Konrad Kleinknecht, Detectors for Particle Radiation, Cambridge U.K. Blum & Rolandi, Particle Detection with Drift Chambers, Springer Verlang,

6 BIBLIOGRAFIA ARTICOLI DI RIVISTA: Experimental Tecniques in High Energy Physics, T.Ferbel (editore),world Scientific, 1991 Instrumentation in High Energy Physics, F.Sauli (Editore), World Scientific, 199 ALTRI: Particle data Book (Phys. Rev. D) R. Bock, a. Vasilescu, Particle Data Briefbook Proceedings di conferenze sugli apparati (Vienna VCI, Elba, IEEE) Introduction to radiation detectors and electronics (Helmut Spieler, Lecture Notes Physics 198,Spring semester UC Berkeley) 6

7 Il piu vecchio rivelatore (di fotoni) Alta sensibilità ai fotoni Buona risoluzione spaziale Range dinamico molto largo (1:10 14 ) + adattamento automatico della soglia Discriminazione in energia (lunghezza d onda) Piuttosto lento (velocità di acquisizione +analisi ~10 Hz) 7

8 Lastre fotografiche 8

9 Tubo a raggi catodici 9

10 Tubo a raggi catodici 10

11 11

12 1

13 Progresso.. 13

14 Un decadimento W + W - in Aleph 14

15 Un evento simulato in ATLAS (CMS) H ZZ 4µ 15

16 Introduzione La reazione e + e - Z o qq: Conosciamo le particelle interagenti (e + e - ) ACCELERATORI Per ricostruire la reazione e le proprietà delle particelle coinvolte la massima informazione sui prodotti finali (gli unici a noi accessibili) APPARATI SPERIMENTALI 16

17 Introduzione Acceleratori: Accelerano particelle stabili (elettroni, positroni, protoni, antiprotoni) PS, AGS, SPS. Anelli di Collisione (Colliders): Siamo nel c.m.: le particelle collidono fra loro LEP, LHC, Tevatron, PEPII. 17

18 Introduzione Apparati Sperimentali. Particelle incidenti: Elettroni,positroni Protoni, antiprotoni Protoni protoni Elettroni, protoni Prodotti finali: Particelle cariche Particelle neutre Fotoni neutrini Esempio Collider Copertura di tutto l angolo solido senza buchi e altamente segmentato Misura dell impulso e/o energia Identificazione delle particelle finali Rapido (senza tempo morto) Le particelle sono rivelate tramite le loro interazioni con la materia. Diversi processi fisici coinvolti (essenzialmente elettromagnetici) Osserviamo la ionizzazione e l eccitazione della materia 18

19 Definizioni ed unita L Energia è definita come: E =p c +m o c 4 Energia E ; si misura in ev (e suoi multipli KeV, MeV, GeV, TeV) Impulso p : si misura in ev/c (e suoi multipli) Massa a riposo m o : si misura in ev/c L ev corrisponde all energia ΔU guadagnata da un elettrone posto in una d.d.p. ΔV=1V 19

20 Definizioni ed unita Masse Elettrone (e) ~ 0.5 MeV Muone (μ) ~105 Mev Pione (π) ~140 MeV Protone e neutrone (p,n) ~938 MeV Fotone e neutrino(γ,ν)~0. MeV Lunghezze 1 μm (10-6 m) -risoluzione spaziale degli apparati 1 nm (10-9 m) -lunghezza d onda del verde (~500nm) 1 Å (10-10 m) - dimensioni dell atomo 1 f (10-15 m) -dimensioni del nucleo Tempi 1μs (10-6 s) deriva di 5 cm di un e in un gas (camere a a deriva 1 ns (10-9 s) un fotone fa 30 cm in 1 ns (nel vuoto) 1 ps (10-1 s) vita media di un mesone B 0

21 Definizioni ed unita Spesso si usa: h = c = 1 In tali unità: [E] = [p] = [m] = [t - 1 ] = [x - 1 ] = ev Per passare dalle unità adimensionali a quelle dimensionali dobbiamo conoscere: la velocita della luce c=3x10 8 m/s e la costante di Plank h=6.6x10.6x10-34 J s (h/π)c ~ 0. GeV f ~ 000 ev Å Ricordando il principio d indeterminazione Δx Δ(pc) (pc) = (h/π) ) c Per risolvere le dimensioni di un atomo (~Å m) servono energie ~KeV Per vedere dentro un nucleo ( ~ f m) dobbiamo avere energie 00 MeV Per distinguere i costituenti di un protone servono energie ~ GeV 1

22 Cinematica relativistica Formule base: velocita' impulso β = v c p = β γmc ( γ = 1 ) 1 β energia E = γmc energia cinetica K = p c + m = ( γ 1) mc c 4 Valide anche nel caso non relativistico γ ~ 1+1/ β K=1/ mv (per quanto riguarda l energia cinetica e la quantità di moto) Energie (impulsi) sono classificati come segue: γ 1 γ > 1 γ >> 1 non relativistico relativistico ultrarelativistico (in questo caso K~E)

23 Cinematica relativistica L energia e l impulso di una particella formano un quadrivettore p = (E,p). L energia E* e l impulso p* di una particella massa m viste da un sistema di riferimento con velocità β sono: E p γ = γβ γβ E p γ // * * * // ; p T = p T 3

24 Cinematica relativistica In una collisione di particelle di massa m 1 ed m l energia totale nel c.m. e espressa dall invariante di Lorentz: s = E cm = ( E 1 + E ) ( p 1 + p ) = m 1 + m + E 1 E (1 β 1 β cos( ϑ ) Dove θ è l angolo formato fra le due particelle. Nel sistema in cui m è ferma (sistema del laboratorio) avremo: s 1 = E = cm ( γ 1) m + m + E m E m >> Le variabili del laboratorio rispetto al c.m. sono: β p + m = 1lab γ = 1lab cm E m cm + 1lab E E cm p m lab pcm= Ecm 4

25 Particelle ed Interazioni La fisica subnucleare studia i costituenti della materia ( partoni e leptoni) e cerca di capire le interazioni cui sono soggetti Interazioni forti (forza relativa a ~10-18 cm ~1 ) Interazioni e.m. ( ~10 - ) Interazioni deboli ( ~10-5 ) Interazioni gravitazionali ( ~ ) La forza gravitazionale è irrilevante in quanto m p = 938 MeV = 1.67x10-7 kg. È comunque a lungo raggio. La forza debole (responsabile dei decadimenti radioattivi e delle interazioni di neutrini è poco utile per i rivelatori. È a corto raggio. La forza forte è quella che tiene assieme i protoni (e neutroni) nel nucleo. È utilizzata solo nei Calorimetri Adronici. Anche questa forza è a corto raggio. La forza e.m., non è altro che la forza coulombiana. È a lungo raggio e quindi, nel caso di particelle cariche domina a grandi distanze fino a ~ 1 f ( a piccole distanze domina la forza forte). Quest ultima è fondamentale per i rivelatori Interazione Radiazione Materia dominata da processi e.m. 5

26 Particelle ed Interazioni Le particelle possono essere classificate tramite le forze cui sono soggette. I leptoni ( μ, e,, ν ) non sono soggetti alla forza forte. Non hanno struttura interna sono puntiformi. Gli adroni sentono la forza forte e sono suddivisi in barioni (spin semintero) e mesoni (spin intero). Gli adroni hanno una struttura interna (quark). Ogni particella ha la sua antiparticella con la stessa massa e spin, ma carica ed altri numeri quantici interni opposti. Esistono anche i Bosoni di Gauge (mediatori delle interazioni). Hanno spin intero. Interazione e.m. γ Interazione forte g Interazione debole Z 0,W ± 6

27 Particelle ed interazioni La ricerca sperimentale studia: Diffusione di particelle sezione d urtod Spettroscopia e decadimenti vita media Produzione di particelle sezione d urtod Vita media: τ Se la particella instabile si muove il percorso che farà prima di morire è: λ d = γβcτ = p mc cτ Il numero di particelle che decadono in dx è proporzionale al numero di particelle N(x) che si hanno ad x ed al percorso dx. Distribuzione esponenziale con pendenza λ d (lunghezza di decadimento) dx dn( x) = N( x) N( x) = N0e λ d x λ d 7

28 Particelle ed interazioni Sezione d urto σ. La σ è usata per esprimere la probabilità di interazione fra particelle elementari. Se giocamo al tiro al bersaglio, il parametro che ci interessa è la dimensione del bersaglio (targhetta) ovvero l area che il fascio di freccette vede. Analogamente se spariamo un fascio di elettroni in un bidone di idrogeno (che non è altro che un insieme di protoni) il parametro che ci interessa è la dimensione del protone, ovvero l area che il protone mostra al fascio incidente.però il protone non ha una sezione ben definita, ma più vicino ci andiamo maggiore è la probabilità d interazione. Inoltre la sezione d urto dipende dalla natura del proiettile oltre che dalla struttura del bergaglio. Gli elettroni sono diffusi più dei neutrini e meno dei protoni (interazioni diverse). Sezione d urto elastica ( Se l energia è bassa avremo solo e+p e+p ) Sezione d urto anelastica ( Se l energia è sufficiente possiamo avere e+p e+p+γ o anche e+p e+p+π etc ) Ipotesi semplicistica σ 1/v ( più a lungo sto vicino al protone più alta è la probabilità d interazione), ma risonanze (stato quasi legato) e σ più grande. Dimensioni area. Unità di misura 1 barn (b) =10-4 cm Per impulso nel lab. di 10 GeV/c si ha: σt ( π + p ) ~ 5 mb (forte) σt t ( γp p ) ~ 100 μb (e.m.).) σt ( νp ) ~ 0.1 pb (debole) 8

29 Sezioni d urto Per avere la σ T si integra su tutto l angolo solido. 9

30 Sezione d urto Esempio numerico: π - p π 0 n 10 7 particelle incidenti a burst ( impulso dell acceleratore) 1 burst ogni 10 s 8 giorni di presa dati Targhetta di Be (ρ =1.8 gr/cm 3 ) l=10 cm Dati raccolti 7.49x10 10 σ T =(N rac /N fascio )x(1/n A ) (N rac =7.49x10 10 N fascio =6910x10 7) n A = ρln A (Z/A) (numero di protoni nella targhetta) σ T = (7.49x10 10 )/(6910x10 7 x48.18x10 3 )~.5x10-6 cm =.5 mb 30

31 Sezione d urto 31