Il vuoto è necessario per vari campi

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1 Il vuoto è necessario per vari campi pv = 3 mv media pv = kt 3 E c = kt La temperatura è collegata all energia di movimento delle molecole. Il libero cammino medio, spazio medio percorso per avere una collisione di una molecola con un altra. λ = n= = V p kt 1 kt = ( n π d ) ( π d p ) La temperatura è l energia lenergia media di movimento (cinetica) delle molecole.

2 Altre grandezze importanti dedotte sempre dal modellino dei gas nel caos molecolare Proprietà dell azoto a 0 o C di temperatura per varie pressioni. Pressione Densità λ [cm] t monostrato Collisioni mbar Molecole/cm 3 in Θ [molec/cm s] s s s s min h Θ = tempo necessario, perché si depositi uno strato di molecole.

3 Studi di fisica fondamentale in acceleratori con bersagli gassosi. Proiettili circolanti ad alta velocità (enegia), che collidono su un bersaglio. Da come vengono deviati i proiettili, ricostruiamo come sono fatti i bersagli, ovvero quali forze tengono insiemei la materia. H, D, 3 He p, d COSY, IUCF, RHIC e -, e + HERA, Bates pbar HESR

4 Libero cammino medio (λ) percorso medio di una molecola prima di urtarne un altra. Sfere di diametro d Una sfera alla velocità v percorre lo spazio l=vt. Il volume (V) che spazzola tl tale molecola, moltiplicato per la d ensità molecolare : ( V spazzolato) ( n) # collisioni # di molecole urtate nel percorso Il volume spazzolato è un cilindro di diametro d e altezza l(=vt). # di collisioni = nπd in tutto il tragitto l(=vt). vt

5 Il tasso di perdita di proiettili nell attraversa uno spesso dx è proporzionale all intensità ità dei proiettili sparati di Ed anche al numero di collisioni che hanno lungo il percorso # di collisioni = nπd vt (esempio sferette o atomi) πd lungo si il percorso qualsiasi di = nπd I dx indica con σ l I (quindi anche dx) tasso di perdita di proiettili nel tratto dx ed è detta Sezione d urto

6 Premesse di utilizzo come bersagli Il tasso di produzione di una reazione (R) R = σ L σ = sezione d urto, L = luminosità. Per la luminosità possiamo prendere come definizione quanto sopra: la luminosità è una grandezza, che moltiplicata per la sezione d urto fornisce il tasso di produzione di una reazione. L la luminosità di un bersaglio di spessore t (nucleoni cm ) esposto ad un fascio di intensità I (particelle sec 1 ) è pari a: L=t * I

7 HERA e +/- ring: 45 ma 7.5 GeV Proiettili circolanti: e +/- / sec Spessore del bersaglio: atomi/ cm HERMES spectrometer

8 Introduzione Spin importante in fisica atomica e QED Stern Gerlach risolutivo per la Fisica Quantistica nucleare Modello a shell ecc. particellare e QCD Contributi dei costituenti subnucleare allo spin del nucleone. ed altro (spintronica)... Possibilità di produrre sistemi in uno stato quantistico definito e soprattuto sui bersagli gassosi polarizzati.

9 Dato che l urto tra particelle, con spin diverso è più forte Se so manipolare i proiettili e/o i bersagli per orientarli in un verso e nell altro, posso misurare lo spin dei quark.

10 Ciidll Crisi dello spin Solo il 30 % dello spin del protone viene dai quark. Crisi dello Spin. Il resto viene dall interazioni tra i quark, ma è ancora in fase di indagine, i con diverse teorie in fase di verifica.

11 Come facciamo ad orientare lo spin. Consideriamo i l atomo di Osserviamo come il idrogeno: è costituito da momento magnetico un protone ed un elettrone. dovutoall elettrone è più Sia il protone che l elettrone grande di quello dovuto al hanno spin (s) ½. Lo spin protone dato che può assumere due e e orientazioni rispetto ad un μ e m s mentre eteμμ p m s me mp campo magnetito indicate con m s = ½ o ½. ela massa dell elettrone è Allo spin si associa un circa 1800 volte più piccola momento magnetico. dll della massa dl del protone. μ e m m s

12 Invece di portarci dietro tutti i simboli ed i segni, possiamo indicare con J lo spin dell elettrone e la sua orientazione rispetto ad un campo magnetico con m j, che può essere ½ 0 1/, con I lo spin del protone e quindi con m I l orientazione rispetto ad un campo magnetico esterno che può essere sempre ½ o ½. In un campo magnetico debole l interazione tra i due magnetini domina, e quindi l atomo di idrogeno viene visto come un tutt uno, avente spin F somma dei due spin, F può zero o 1. In una campo magnetico esterno forte idue magnetini, non si sentono tradi loro, e quindi si possono orientare in quattro possibili modi.

13 Situazione in campo debole (B=0) Diagramma energetico Modellino Classico B L atomo di idrogeno si orienta rispetto al compa come un magnetino unico.

14 Situazione in campo forte Diagramma energetico Modellino Classico B Il magnetino I (associato al protone) ed il magnetino J ( associato all elettrone) si orientano indipendentemente tra loro rispetto al campo magnetico esterno.

15 Diagramma dei livelli di energia di H Laboratorio Vuoto e Spettrometria di Rivelatori di Massa LS Bersagli Gassosi polarizzati (G. Ciullo)

16 Come posso selezione uno stato quantistico > > WFT sestupolo WFT sestupolo 4 La sorgente atomica produce atomi in tutti e 4 gli stati quantistici. Il primo sestupolo magnetico Agisce sugli atomi con spin elettronico (m j ) positivo lungo l asse, quindi rimangono sull asse gli g g p ( j) p g, q g g atomi con gli stati indicati con 1 e nel grafico precedente. La transizione WFT->3 modifica gli atomi, che si trovano nello stato, nello stato 3. Il secondo sestupolo seleziona solo gli atomi nello stato 1. Possiamo iniettare così nella cella solo atomi con spin del protone m I = ½. Se accendiamo la transizione WFT1->3 possiamo iniettare invece atormi con spin del proton m I = - ½.

17 Accumulazione d t b = = 10 n b d mm d Per il fascio atomico libero Si ha uno spessore t b 64E+11,64E+11 atomi/cm t 1 l c = n0xdx= ncl; l = L l 0 / Flusso uscente=flusso entrante Fascio Accumulato Si ha uno spessore t c 1,5E+14 atomi/cm v T cm T = 100K 4 5 = sec = cm M M= 1 C tot n c = I t b = sec 1 v b I S b d I = atom/sec L = 0 cm C n = n I L = tot cell c bv bs t b c C tot Laboratorio Vuoto e Spettrometria di Rivelatori di Massa LS Bersagli Gassosi polarizzati (G. Ciullo)

18 Analizzatore, degli atomi e della polarizzazione nella cella Cella di accumulazione Sorgente atomica polarizzata

19 Analizzatore, degli atomi e della polarizzazione nella cella Sorgente atomica polarizzata Cella di accumulazione