Il magnete superconduttore per l esperimento PANDA, un progetto strettamente legato a Genova

Transcript

1 Il magnete superconduttore per l esperimento PANDA, un progetto strettamente legato a Genova Andrea Bersani INFN Sezione di Genova

2 Sommario FAIR: una nuova facility europea per la fisica adronica La fisica di PANDA L esperimento PANDA Il ruolo dei magneti negli esperimenti di fisica nucleare e delle particelle Il magnete superconduttore di PANDA 2

3 FAIR FAIR sta per Facility SIS300 for Antiproton and Ion Research existing GSI proton linac SIS18 SIS100 Fasci di protoni e ioni saranno accelerati da una serie di sincrotroni HESR PANDA pbar target SuperFRS Con i protoni si fabbricheranno antiprotoni CR FLAIR Con gli ioni si farà ricerca RESR NESR sui fasci radioattivi e i nuclei lontani dalla valle della stabilità 3

4 Prima di FAIR, GSI FAIR ingloberà il laboratorio esistente GSI 4

5 Protone-Antiprotone Le collisioni protone-antiprotone sono state utilizzate per decenni in fisica delle particelle Sono stati costruiti acceleratori per antiprotoni a energie molto varie e per scopi molto diversi SPPS LEAR Tevatron Nel passato gli acceleratori per adroni si sono rivelati le migliori macchine per la scoperta di nuove particelle sezioni d urto molto alte possibilità di creare particelle in processi di formazione fasci di alta qualità per condizioni sperimentali pulite 5

6 La fisica di PANDA La fisica di PANDA copre diversi aspetti di fisica nucleare e delle particelle charmonio ibridi ed esotici ipernuclei violazione di simmetrie processi elettromagnetici mesoni nella materia 6

7 La fisica di PANDA La fisica di PANDA copre diversi aspetti di fisica nucleare e delle particelle charmonio ibridi ed esotici ipernuclei violazione di simmetrie processi elettromagnetici mesoni nella materia 6

8 La collaborazione PANDA asel U & INFN Genova IHEP Protvino PANDA è una collaborazione internazionale che conta oltre 400 membri, provenienti da una cinquantina tra università e enti di ricerca e 16 paesi Gli italiani sono una settantina provenienti da 11 tra università e sezioni INFN Al momento, l INFN esprime il Deputy Spokeperson (Paola Gianotti) e il Physics Coordinator (Diego Bettoni) 7

9 La collaborazione PANDA asel U & INFN Genova IHEP Protvino PANDA è una collaborazione internazionale che conta oltre 400 membri, provenienti da una cinquantina tra università e enti di ricerca e 16 paesi Gli italiani sono una settantina provenienti da 11 tra università e sezioni INFN Al momento, l INFN esprime il Deputy Spokeperson (Paola Gianotti) e il Physics Coordinator (Diego Bettoni) 7

10 Una fabbrica di antiprotoni Gli antiprotoni vengono prodotti facendo collidere protoni su un bersaglio Si producono particelle di tutti i tipi, gli antiprotoni vengono selezionati da opportune lenti magnetiche Gli antiprotoni raccolti vengono immagazzinati in un anello dove vengono raffreddati e preparati per essere iniettati nell anello principale 8

11 Una fabbrica di antiprotoni Il fascio di protoni a 29 GeV incide sul bersaglio di nickel Gli antiprotoni prodotti vengono raccolti da un magnetic horn Nell horn circola una corrente di centinaia di migliaia di Ampere Una enorme quantità di particelle vengono perdute nella camera del bersaglio 9

12 Una fabbrica di antiprotoni Il fascio di protoni a 29 GeV incide sul bersaglio di nickel Gli antiprotoni prodotti vengono raccolti da un magnetic horn Nell horn circola una corrente di centinaia di migliaia di Ampere Una enorme quantità di particelle vengono perdute nella camera del bersaglio 9

13 Una fabbrica di antiprotoni 10

14 Il rivelatore PANDA 11

15 Il rivelatore PANDA Misura le particelle prodotte nell urto di antiprotoni su un bersaglio fisso di idrogeno È formato da due spettrometri il target spectrometer circonda la zona di interazione il forward spectrometer copre l angolo in avanti Le particelle vengono sparate principalmente in avanti Il rivelatore deve, per ogni particella uscente: misurare precisamente da dove viene misurare la carica elettrica misurare energia e velocità riconoscere che particella è 12

16 Il bersaglio interno Idrogeno viene iniettato perpendicolarmente alla direzione del fascio di antiprotoni A seconda della temperatura, della pressione e del diametro del foro da cui si inietta si ottengono gocce di idrogeno congelato del diametro di pochi centesimi o decimi di millimetro neve di idrogeno, formata da cluster di centinaia o migliaia di molecole 13

17 Il bersaglio interno Idrogeno viene iniettato perpendicolarmente alla direzione del fascio di antiprotoni A seconda della temperatura, della pressione e del diametro del foro da cui si inietta si ottengono gocce di idrogeno congelato del diametro di pochi centesimi o decimi di millimetro neve di idrogeno, formata da cluster di centinaia o migliaia di molecole 13

18 Bersaglio e linea del fascio Produzione del bersaglio Punto di interazione Direzione degli antiprotoni Recupero del bersaglio 14

19 Il tracciamento delle particelle Diversi strati di rivelatori al silicio permetteranno la ricostruzione del vertice primario e dei vertici secondari necessario per riconoscere particelle che si allontanano dal vertice primario prima di decadere in un vertice secondario distanze tipiche di interesse sono le centinaia di micrometri o i millimetri 15

20 Il tracciamento delle particelle Dopo il rivelatore di vertice le particelle vengono seguite per un lungo tratto Si sfrutta la carica generata in un gas da parte di una particella carica che lo attraversa Questa carica viene raccolta da fili ad alta tensione e attraverso questi segnali si ricostruisce la traiettoria 16

21 Il tracciamento delle particelle Dopo il rivelatore di vertice le particelle vengono seguite per un lungo tratto Si sfrutta la carica generata in un gas da parte di una particella carica che lo attraversa Questa carica viene raccolta da fili ad alta tensione e attraverso questi segnali si ricostruisce la traiettoria 16

22 Tutti i tracciatori di PANDA 17

23 Tutti i tracciatori di PANDA 17

24 L identificazione delle particelle Il tracciamento nel campo magnetico spesso non basta ad identificare senza ambiguità le particelle Una misura indipendente della velocità e dell energia permette di ricostruire la massa Una volta note massa e carica elettrica, si può dare il nome a ogni particella Diversi sistemi di misura della velocità vengono utilizzati comunemente misura diretta attraverso il tempo di volo misura indiretta attraverso emissione di radiazione dipendente dalla velocità 18

25 La particle ID in PANDA 19

26 La particle ID in PANDA DIRC RICH Camere per i muoni Time of flight 19

27 DIRC e RICH DIRC e RICH funzionano grazie allo stesso principio Una particella carica emette radiazione Cherenkov lungo un cono la cui apertura dipende dalla velocità 20

28 La misura dell energia La misura dell energia completa l insieme di informazioni necessarie per la ricostruzione delle singole reazioni I calorimetri funzionano convertendo la maggior parte possibile dell energia delle particelle incidenti in luce e misurando questa luce I calorimetri di PANDA sfruttano cristalli di tungstanato di piombo (target spectrometer) e sandwich di piombo e scintillatore plastico (forward spectrometer) 21

29 PbWO4 e altre cose 22

30 I calorimetri di PANDA 23

31 I calorimetri di PANDA 23

32 I magneti in fisica nucleare In presenza di un campo magnetico le particelle cariche seguono una traiettoria curva (si arrotolano intorno alle linee del campo magnetico) La direzione verso cui curvano è legata al segno della carica elettrica Il raggio della curva è legato alla massa e alla velocità Negativo, veloce e leggero Positivo, lento e pesante 24

33 Diversi tipi di magneti In fisica nucleare e delle particelle sono stati usati magneti di tre tipi, ciascuno con pregi e difetti Il dipolo è il più semplice da costruire curva le particelle su un piano ma non sull altro lascia completamente libera la zona di interazione Il solenoide è relativamente complesso da costruire tutte le particelle vedono lo stesso campo lascia completamente libera la zona di interazione Il toroide è il più complicato da costruire non cambia gli angoli di uscita delle particelle occupa parte dello spazio utile nella zona di interazione 25

34 Dipoli B 26

35 Solenoidi 27

36 Solenoidi B 27

37 Toroidi 28

38 Toroidi B 28

39 Il sistema di magneti I due spettrometri di PANDA utilizzano due magneti molto diversi tra loro Il target spectrometer utilizza un solenoide superconduttore, con l asse coincidente con la linea del fascio Il forward spectrometer utilizza un dipolo normalconduttore, con l asse verticale una chicane formata da altri dipoli raddrizza gli antiprotoni che non hanno interagito e li rimanda sulla traiettoria sincrona dell anello di accumulazione 29

40 Il campo magnetico Il campo magnetico è di 2T nella regione centrale del target spectrometer e di 1.2T nel dipolo 30

41 Il dipolo Il dipolo del forward spectrometer ha un apertura di circa 1 metro per 3, in cui sono installate camere per il tracciamento delle particelle Il ferro è segmentato per consentire l accensione e lo spegnimento rapido del magnete Il peso complessivo è di circa 220 tonnellate 31

42 Caratteristiche del dipolo Il campo del dipolo è stato fissato per permettere misure precise sulla velocità delle particelle prodotte in PANDA Il cavo sarà realizzato in rame raffreddato ad acqua L energia immagazzinata è di circa 2 milioni di Joule (circa l energia che consuma il mio portatile in una giornata di lavoro) 32

43 Il solenoide superconduttore 33

44 Caratteristiche del solenoide Il campo al centro è di 2T L uniformità di campo nella regione del tracciatore è molto spinta il valore assoluto varia di meno del 2% in tutto il volume del tracciatore la componente radiale del campo magnetico, in media, è minore dello 0.1% della componente longitudinale Il magnete è fatto per lavorare con entrambe le polarità e a valori di campo dal 30% al 100% del campo di disegno L energia immagazzinata è di circa 20MJ (equivalente all esplosione di 5 chili di tritolo) 34

45 Il campo del solenoide 35

46 Perché un superconduttore? Se PANDA usasse un solenoide in rame Le bobine diventerebbero enormi Dissiperebbe ~1MW in calore Non si saprebbe a cosa appenderle 36

47 La massa fredda 37

48 Il cavo per il solenoide Il cavo per il solenoide di PANDA sarà costruito con la tecnica della coestrusione Il core è un trefolo di cavi superconduttori di Niobio-Titanio La parte esterna è di alluminio ad alta purezza, che stabilizza termicamente ed elettricamente il cavo Il cavo è dimensionato per portare 10000A ad un campo di 5.6T la corrente di lavoro è 5000A e il massimo campo previsto sul cavo è di 2.8T 38

49 L avvolgimento Il solenoide sarà avvolto all interno di un coil former contrasta la forza magnetica che cerca di svolgere il solenoide Sono previsti due strati, con le saldature tra gli spezzoni di cavo negli spaziatori tra le sotto-bobine L isolamento del cavo sarà garantito da una nastratura di fibra di vetro Il solenoide sarà infine impregnato sottovuoto con resina 39

50 Il sistema di raffreddamento Il solenoide sarà raffreddato indirettamente con una rete di tubi in cui scorrerà elio liquido 40

51 Il comportamento termico 41

52 Il comportamento termico 41

53 Il comportamento meccanico 42

54 Genova e i grandi magneti Il legame tra i grandi magneti da esperimento e la nostra città non nasce con me Oltre agli esperti in sezione a Genova c è una delle ditte più quotate del mondo per la costruzione di magneti superconduttori, la AS-G superconductors come Ansaldo Superconduttori ha costruito, tra le altre cose, i solenoidi di BaBar e di CMS La collaborazione PANDA ha attribuito la responsabilità per seguire la costruzione e l installazione del solenoide di PANDA a INFN-Genova il solenoide di PANDA potrebbe essere un significativo contributo in-kind a FAIR da parte dell Italia 43

55 Grazie per l attenzione! 44