Prof.ssa Maria Filomena Muscarella

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2 CERN European Organization for Nuclear Research Trailer ufficiale

3 Il progetto Extreme Energy Events Extreme Energy Events (EEE), è un esperimento di fisica in cui gli AUTORI della ricerca sono gli studenti della scuola italiana. Si tratta di una rivoluzione culturale nel mondo della scuola un apprccio innovativo allo studio delle materie scientifiche L obiettivo scientifico: studiare gli Extreme Energy Events, un settore di frontiera nella fisica Astroparticellare. EEE è basato su una rete di rivelatori ospitati all'interno di istituti

4 Breve storia dei RC 1. Scoperta della radioattività (1896) ad Antoine Henri Becquerel J. McLennan e E. Rutherford notarono (1903) che un rivelatore completamente schermato non mostrava un segnale nullo, deducendone l'esistenza di una radiazione altamente penetrante. 2. Per controllare l'ipotesi che tale radiazione provenisse dalla terra A. Gockel effettuò nel 1910 misure fino all'altezza di 5 km. Il fisico austriaco Victor Franz Hess (Nobel nel 1936 per le sue pionieristiche ricerche), ed il fisico W. Kolhorster effettuarono ulteriori misure ( ) fino all'altezza di 9 km utilizzando palloni aerostatici.

5 L esperimento di Hess Nel 1912, Hess caricò su un pallone aerostatico un dispositivo per misurare le particelle cariche. Nel volo, si dimostrò come la radiazione aumentava con l altitudine. Questo significava che la radiazione sconosciuta non aveva origine terrestre (come la radioattività naturale) ma proveniva dallo spazio esterno, da cui il nome di Raggi Cosmici

6 Dopo Hess, fu Millikan, nel 1925, ad interessarsi a questa radiazione, e a lui si deve il nome di raggi cosmici: egli riteneva che fossero composti principalmente da raggi gamma. Compton ipotizzò, al contrario, che fossero composti da particelle cariche: successive misurazioni dimostrarono la validità di questa seconda ipotesi. La distribuzione dei RC, infatti, variava con la latitudine magnetica, come ci si attende per le particelle cariche sotto l'influenza del campo geomagnetico terrestre. Nel 1930 il fisico italiano Bruno Rossi notò che, se la carica delle particelle era positiva, esse dovevano provenire in maniera preferenziale da est. Thomson dimostò sperimentalmente la giustezza dell'intuizione dell'italiano. A partire dagli anni 30 sino alla nascita dei primi acceleratori di particelle, la storia della fisica delle particelle coincide con quella dei Raggi Cosmici Si pose la questione sull'origine e la provenienza dei raggi primari. Nascita dell astrofisica dei RC (scuola russa, anni 60) The Origin of Cosmic Rays, Ginzburg and Syrovatskii. (1964)

7 Particelle scoperte nei RC Il positrone (1932). Carl Anderson osservò delle particelle cariche positivamente, che lasciavano nella camera a nebbia la stessa traccia degli elettroni. I suoi risultati furono convalidati nel 1933 da P. Blackett e G. Occhialini che riconobbero in esse l antielettrone o positrone proposto teoricamente da Dirac, osservando la conversione di fotoni di alta energia in coppie e+e-

8 Il muone (1937) Ancora Anderson, notò delle particelle che deviavano in maniera diversa dagli elettroni e da altre particelle note quando queste passavano attraverso un campo magnetico. In particolare, queste nuove particelle venivano deflesse ad un angolo minore rispetto agli elettroni, ma più acuto di quello dei protoni. Si assunse che la loro carica fosse identica a quella dell'elettrone e, per rispondere alla differenza di deflessione, si ritenne che avesse una massa intermedia (un valore compreso tra la massa del protone e dell'elettrone). 1. Si pensava che fosse la particella ipotizzata da Yukawa per spiegare le interazioni tra nucleoni per formare i nuclei 2. Si scoprì che questa particella aveva delle caratteristiche pecuniari da renderla il cugino pesante dell elettrone (esperimento Pancini- Piccioni-Conversi)

9 Il pione (1947) Particella predetta nel 1936 da Hideki Yukawa, il pione si osservò sperimentalmente solo nel 1947 da parte di C.F. Pawel,G. Occhialini e C. Lattes, utilizzando speciali emulsioni fotografiche per registrare la produzione di pioni da parte dei raggi cosmici e il loro successivo decadimento in muoni, che a loro volta decadono in elettroni (o positroni) e in neutrini (invisibili).

10 Le particelle K degli emulsionisti (circa 1953) t p + p + + p - m t 970 m e e k m +? 0 +? 0 p +? 0 m k 1125 m e m m e Jungfraujoch, Svizzera tedesca, 3454 m m k? 0? 0

11 poi gli acceleratori LEP/LHC ATLAS CMS 27 Km di galleria sotterranea ALICE

12 Cosa sono i raggi cosmici primari? Inizio del XX secolo: radiazione misurata nell ambiente molto superiore a quella attesa dalle sorgenti radioattive naturali Particelle sub-atomiche, con energie molto varie: ev Il flusso (numero particelle/ unità di area/unità di tempo) bassa energia migliaia /m 2 /s facile da misurare alta energia alcuni/km 2 /secolo difficile La composizione è varia: Protoni (soprattutto) Nuclei pesanti (fino all Uranio) 0.1% fotoni (gamma) carichi: deflessi da campi magnetici extra/galattici pesanti : deflessi meno neutri: propagazione in linea retta (o quasi)

13 Come si studiano? Energia Tecniche differenti 1. Bassa energia, assorbiti dall atmosfera rivelatori su satelliti 2. Media energia piccole piogge in atmosfera Radiazione Cherenkov rivelata al suolo 3. Altissima energia: pioggia anche molto estesa (Km) Le particelle continuano ad interagire ed al suolo sono rivelate da una griglia di strumenti

14 Elettron Volt Radiazione Fotone luminoso osservabile da un occhio Raggi Ultra Violetti provenienti dal Sole, possono bruciare la pelle X-Ray possono attraversare il corpo Gamma ray Raggi Cosmici di media energia Raggi Cosmici di alta energia Energia 1 ev 10 ev 1000 ev = 1 kev ev = 1 TeV ev = 1 PeV ev = 100 EeV Raggi Cosmici di altissima energia Misurati 3x10 20 ev Questa è l energia di una palla da bowling che cade su un piede dall altezza di un metro!

15 Le componenti dello sciame cosmic ray proton Secondary particles Estensive Air Shower (EAS) Decay products Electronphoton cascades

16 Sciami di raggi cosmici Sciame: un primario colpisce l atmosfera jet di altre particelle secondarie (10 6 /minuto) primario non si può vedere! Urti successivi con azoto e ossigeno pioggia p, N, e -, e +, g, n, X, Estensive Air Shower (EAS) e -, e +, g, m +, m - Ad altissime energie: altissimo numero di particelle secondarie circa 10 9 arrivano al suolo densità di particelle DT di arrivo (GPS) ricostruzione del m griglia di rivelatori (?) I rivelatori sono colpiti ad istanti successivi Intensità maggiore al centro alcune particelle si fermano solo molti metri sotto il suolo

17 Simulazione MC di una Cascata Muoni

18 Muoni m particelle elementari, instabili, traiettoria quasi parallela al primario, quindi utile ai fini della individuazione della direzione da cui proviene l evento primario. percorrono Km e arrivano a terra prima di decadere (effetto relativistico) massa 105 MeV (e:0,5 MeV)

19 Da dove vengono Mah? Direzione 1. Particelle cariche: deflesse e accelerate dai campi magnetici galattici incertezza sulla direzione di provenienza 2. Fotoni: in linea retta (es. Crab Nebula, AGN) Galattici correlazione con il piano galattico Extra-galattici isotropia

20 Crab Nebula Nube di gas, residuo dell esplosione di una supernova Cina July 4, 1054 A.D.

21 AGN Nucleo Galattico Attivo

22 Crab nebula, visto dal telescopio spaziale Hubble

23 Come si rivelano

24 Extreme Energy Events Prima fase: 72 rivelatori costruiti e 24 telescopi attivi; CERN Seconda fase: costruzione e installazione di 10 nuovi telescopi Bari

25 Extreme Energy Events copre l intero territorio nazionale utilizzando come griglia di rivelatori a terra un particolare tipo di rivelatori a gas chiamati Multigap Resistive Plate Chambers (MRPC) alloggiati nelle scuole aderenti.

26 Una delle piste piu veloci nel nostro pianeta Svariate migliaia di miliardi di protoni viaggiano al % della velocita della luce, percorrendo un anello di 27 km di circonferenza per oltre volte al secondo!

27 Il posto piu vuoto nel sistema solare Per poter accelerare dei protoni ad una velocita prossima a quella della luce, abbiamo bisogno di un livello di vuoto simile a quello dello spazio interstellare. Le pressioni nel tubo del fascio LHC sono circa 10 volte piu basse di quella presente sulla luna.

28 Uno dei posti piu freddi nell Universo Con una temperatura di circa -271 gradi Celsius, o di 1.9 gradi sopra lo zero assoluto, LHC e piu freddo dello spazio interstellare.

29 Uno dei posti piu caldi nella Gallassia Simulation of a collision in the CMS experiment Quando due fasci di protoni collidono tra loro si generano, in un volume infinitesimo e per una frazione infinitesima di secondo, temperature superiori a miliardi di volte quelle presenti nell interno del Sole.

30 Si utilizzano I piu grandi e piu complessi rivelatori mai costruiti Per selezionare e registrare i segnali provenienti da 600 milioni di collisioni di protoni al secondo, i ricercatori del CERN hanno costruito rivelatori giganteschi, per poter misurare con straordinaria precisione le caratteristiche delle particelle infinitesimali.

31 costruito con una precisione incredibile Ci sono voluti circa 20 anni per progettarlo e costruirlo, con oltre 2000 ricercatori coinvolti E come una macchina fotografica 3D a 75 mega pixel, capace di registrare 40 millioni di foto al secondo Solo per cablare questa sezione centrale sono stati coinvolte 200 persone per oltre 6 mesi!

32 Il Rivelatore CMS E un rivelatore ENORME E posizonato a 100m sottoterra Il rivelatore e largo 15 metri e lungo 21.5 metri Pesa circa il doppio della Torre Eiffel circa 14000t Utilizza il piu grande e piu potente magnete mai costruito di questo tipo

33 Il 18 marzo 2011 tre camere di rivelazione come quelle di CMS sono giunte nella nostra scuola. 200 cm 10 cm 120 cm Bari Liceo Scacchi 18/03/2011 8:00 a.m.

34 Liceo Scacchi

35 Il rivelatore MRPC Multigap Resistive Plate Chamber

36 Rivelatore MRPC- sistema di tracciamento dei muoni cosmici dall alto Grande numero di telescopi Costo ragionevole Funzionalità a lungo termine Alta efficienza (100%) Ricostruzione della direzione dei muoni Buona risoluzione temporale telescopio costituito da 3 piani di MRPC di cm 2 di area sensibile

37 Sistema di coordinate polari. Noti, è possibile ricostruire la direzionalità dello sciame, cioè da che punto dell universo arriva.

38 Telescopi distanti sono sincronizzati tramite un sistema GPS che assegna un tempo universale ad ogni singolo evento (Universal Time Coordinate).

39 Meccanismi di rivelazione delle camere EEE

40 La prossima volta..

41 Elettronica di Front-End Preview GPS