IL  CERN

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IL  CERN  

Il  CERN:  Timeline  

4  

Il  CERN:  l’  idea  iniziale  

Piuttosto difficile da individuare con precisione.

Si parla in generale della Conferenza europea per la cultura organizzata nel Dicembre 1949 a Losanna, dove Denis de

Rougemont, scrittore svizzero, è stato molto attivo.

Dopo l'incontro con Albert Einstein nel1947 a Princeton, Denis de Rougemont era convinto che si sarebbero dovute collegare le idee di unione europea e di padronanza dell'energia nucleare,

Nella stessa conferenza Raoul Dautry (Commissariato francese per l’energia atomica) propose la creazione di un laboratorio di fisica atomica e astrofisica.

Louis De Broglie inviò una lettera in cui si auspicava una

Il  CERN:  Timeline  

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Il  CERN:  perché  Ginevra?  

Nel Gennaio 1952 la Tribune de Genève presentò gli argomenti a favore di Ginevra: importante patrimonio scientifico, a disposizione energia elettrica, manodopera altamente specializzata, piccolo paese, neutralità garantire che la ricerca sarebbe stata utilizzata

esclusivamente per scopi pacifici.

Il  CERN:  perché  Ginevra?  

8  

Il 4 ottobre del 1952, il Consiglio, riunito ad Amsterdam, scelse Ginevra tra 4 città candidate.

Secondo A. Picot (Consiglio di Stato svizzero), le offerte tecniche

(qualità del suolo, disponibilità di acqua e di energia elettrica) erano le stesse per tutti e quattro (Arnhem, Ginevra, Copenhagen, Parigi).

Il  CERN:  perché  Ginevra?  

Ginevra fu alla fine scelto per l'interesse che aveva mostrato per la fisica, tanto da aver costruito nel 1944 un vasto Istituto di scienza.

Infatti, pochi giorni dopo, avvenne l'inaugurazione ufficiale della nuova sede dell'Istituto di Fisica dell'Università di Ginevra.

Il  CERN:  Timeline  

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Il  CERN:  la  convenzione  

29  Se>embre  1954:  la  nascita  ufficiale  

CERN:  il  sito  di  Meyrin,  Maggio  1954  

CERN:  il  sito  di  Meyrin,  Maggio  1954  

CERN:  il  sincrociclotrone  

CERN:  al  lavoro!  

20  

Le  fronNere  dell’energia  

4 + 4 2013

La  BEBC:  un  nuovo  rivelatore!  

24  

Ancora  progressi  nei  rivelatori  

26  

Acceleratore

Perchè  gli  acceleratori?  

ü  Ci permettono di ripetere gli

esperimenti a parità di condizioni iniziali ü Possiamo scegliere l’energia di lavoro per esplorare la natura a diverse

dimensioni

ü  Si possono produrre nuove particelle avendo un’energia disponibile E=mc²

27  

27  

Rivelatore  di  par<celle:    

“occhio  eleAronico”  

controllato  da  computers  

Acceleratore  

Bersaglio  

Campo  eleArico:  

accelera.   Campo  magne<co:          

curva  

Principio  di  funzionamento  

Le particelle cariche sono guidate, curvate e confinate da campi elettromagnetici.

- Curvatura: Dipoli magnetici

- Focheggiamento: Quadrupoli magnetici - Accelerazione: Cavità a radiofrequenza

Nei sincrotroni, aumentano insieme in modo sincrono seguendo l’

energia del fascio

- Aberrazione cromatica: Sestupoli magnetici

L’  ISR  

L’  ISR  

Salam ricevera` il Nobel nel 1979 assieme a Weinberg e Glashow

Il  SPS  

•  Nel 1976 entrò in funzione al CERN l’SPS, un acceleratore di protoni da 400 GeV, 2 km di diametro.

L’energia non era però sufficiente per produrre W e Z, la cui massa stimata era di 80÷90 GeV.

•  Idea di Rubbia: trasformare l’SPS in un

Collisore protone-antiprotone, come era stato fatto a Frascati con Adone, il collisore e⁺e^- dove particella e antiparticella girano nello stesso anello in senso contrario.

•  Il problema era avere un numero sufficiente di antiprotoni idonei da far collidere con i protoni (risolto da S.van der Meer con il

raffreddamento stocastico).

•  Nel 1978 parte il progetto SppS (270 + 270 GeV).

L’idea  di  Rubbia  

Collisionatori elettrone-positrone

e^- e⁺

E_collisione = E_e- + E_e+ = 2 E_fascop e.g. in LEP, E_collisione ~ 90 GeV = m_Z

i.e. l’energia dei fasci può essere Regolata in modo da produrre le Particelle desiderate.

Elettroni: particelle elementari

Collisionatori protone-protone u u d

u u d

E_protone1 = E_d1 + E_u1 + E_u2 + E_gluoni1 E_protone2 = E_d2 + E_u3 + E_u4 + E_gluoni2 Le collisioni possono essere tra Quark o gluoni. Allora:

0 < E_collisione < (E_protone1 + E_protone2) i.e. con un solo fascio, è possibile cercare particelle di massa diversa.

Diversi  Npi  di  collisionatori  

1983:  un  evento  a  UA1  

Il  premio  Nobel  nel  1984  

•  Nel 1981 il CERN decide di costruire il più grande acceleratore del mondo: il LEP, Collisore elettrone-positrone di 27 km di circonferenza Gli elettroni, al contrario dei protoni, sono delle particelle elementari, quindi l’interazione elettrone-positrone è molto più “pulita” di quella protone-antiprotone

•   Nel 1983 inizia lo scavo del tunnel. La galleria ha un diametro di 3.8 m e si trova a circa 100 m sotto il livello del suolo.

•  Nel 1988 lo scavo del tunnel è terminato. All’epoca era la galleria più lunga d’ Europa, ora superata solo dal tunnel sotto la Manica.

TuAa  l’energia  del  centro  di   massa  è  disponibile  per  creare   nuove  par<celle:  E=mc²  

Il  LEP  

9  km  

LEP   SPS  

Lake  of   Geneva   Jura  

CERN  

aereoporto  

L3   Aleph  

Opal  

Delphi  

Il  LEP:  vista  aerea  

quadrupolo  

Tubo  a  vuoto   dipolo  

Il  LEP:  tunnel  

Il  rivelatore  L3  

Questo ha permesso di misurare la massa dello Z con una precisione dello 0.02‰ e di verificare l’accuratezza delle previsioni del MS al meglio del percento.

Tramite l’effetto delle correzioni radiative è stata prevista la massa del top di 181±10 GeV. Il valore misurato a FNAL è di 174±5 GeV.

•  Dal 1995 al 2000 l’energia del LEP è aumentata fino a 208 GeV.

Continua la ricerca del bosone di Higgs e di nuove particelle!

•   L’Higgs, se esiste, ha una massa maggiore di 115 GeV^.  

LEP:  i  risultaN  

•  Il 14 luglio 1989 circola il primo fascio di elettroni nel LEP. Il 15 agosto si ha la prima collisione e⁺e^-. L’energia del centro di massa è uguale a m_Z (~91 GeV). Dal 1989 al 1995 vengono prodotti circa 17 milioni di Z nei 4 esperimenti.

Il Modello non prevede il numero di famiglie e prima dell’avvento del LEP, una quarta famiglia non era esclusa.

•  Dalla larghezza della risonanza dello Z e dal metodo del fotone singolo:

Il Modello Standard organizza le particelle elementari in famiglie.

LEP

:N

=2.984±0.008  

γ ν ν e

e^{+ −} →

L3:N_ν=2.98±0.10  

Il  numero  di  famiglie  di  neutrini  

42  

LHC  

Il  CERN  oggi  

•  

• 

• 

•   20 Stati Membri:

Austria, Belgio, Bulgaria, Repubblica Ceca, Danimarca, Finlandia, Francia, Germania, Grecia, Ungheria, Italia, Olanda, Norvegia, Polonia, Portogallo, Repubblica Slovacca, Spagna, Svezia, Svizzera e Regno Unito

•   Osservatori

India, Israele, Giappone, la Federazione Russa, gli Stati Uniti d’America,

•  Nel dicembre 1994 il CERN approva la costruzione di LHC

(Large Hadron Collider). Si tratta di un collisore protone-protone con magneti superconduttori di 8 T, da istallare nel tunnel del LEP.

•  L’energia del centro di massa di progetto 14 TeV, 7 volte maggiore del Tevatron (Chicago, USA)

I fasci si incrociano con una frequenza di 40 MHz (ogni 25 ns).

•  Al collisionatore vi sono due esperimenti principali, Atlas e CMS (più LHCb e Alice) anch’essi spinti al limite della tecnologia.

Sito a 100 m di profondità, fra la Svizzera e la Francia, LHC è stato acceso nel Novembre 2009 e ha preso dati fino al 2013, ottenendo il record di più potente acceleratore al Mondo!

L’  LHC  

LHC  Nmeline  

1982 : First studies for the LHC project

1994 : Approval of the LHC by the CERN Council 1996 : Final decision to start the LHC construction 2000 : Last year of LEP operation above 100 GeV 2002 : LEP equipment removed

2003 : Start of LHC installation

2005 : Start of LHC hardware commissioning 2008 : Start of (short) beam commissioning

Powering incident on 19th Sept.

2009 : Repair, re-commissioning and beam commissioning

Rigidità magnetica

Force

Forza di Lorentz

LHC: ρ = 2.8 km"

→" →" →" →"

Per raggiungere p = 7 TeV/c dato un raggio di curvatura r = 2805 m:

§ Campo curvante: B = 8.33 Tesla"

§ Magneti superconduttori"

Per far scontrare due fasci di protoni ruotanti in senso contratio, i fasci devono stare in due tubi a vuoto separati, e sentire un campo

B opposto in direzioneà Ci sono quindi 2 LHC ed i due campi sono realizzati con un unico magnete!!

Curvatura  delle  parNcelle  

Curvatura  delle  parNcelle  

Two-in-one magnet design!

B field!

B!

p!

p!

F!

F force!

II I

B

48"

48

N

N S

S B_y

F

x

F

y

Il focheggiamento trasverso si ottiene con quadrupoli magnetici , che agiscono sul fascio come delle lenti ottiche.

Incremento lineare del campo magnetico lungo gli assi (nessun effetto lungo gli assi) Focusing in one plane, de-focusing in the other^!"

x"

y"

Focheggiamento  

Focheggiamento  

49"

Piano orizzontale!

Piano verticale!

Il focheggiamento in entrambi i piani si si ottiene con una

successione di quadrupoli

focheggianti e defocheggianti Struttura FODO

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Large Hadron CMS

experiment

50  

Collider

ATLAS experiment

CERN  lab.  

lago  di  Ginevra  

aeroporto   di  Ginevra  

Il  CERN  visto  dall’aereo  

Il  sistema  di  acceleratori  al  CERN  

Richard  Kass    

~1  GeV  

~2  GeV  

~450  GeV  

~10¹¹  protons/beam  

~7  TeV  final  beam  energy  

~25  GeV   LINAC→PSB→PS→SPS→LHC  

Come  si  accellerano  I  protoni  a  7  TeV?  

Gli  esperimenN  al  CERN  

Gli  esperimenN  al  CERN  

B-physics CP Violation

Heavy Ions

Quark-gluon plasma General-purpose

Higgs SUSY

??

General-purpose Higgs SUSY

??

Le  componenN  dell’acceleratore  e  dei  

rivelatori  vengono  da  tu>o  il  mondo…  

56!

Il  tunnel  LHC  

Ansaldo Superconduttori!

Text  

56  

Le bobine superconduttrici sono raffreddate a 1.9 K (la radiazione di fondo cosmica è a 2.7 K).

LHC sarà il punto più freddo

1233 dipoli principali 14.3 m di lunghezza ognuno 8.33 Tesla (max nel ferro 2 T)

11.7 kA (bobina superconduttrice)

I  dipoli  di  LHC  

LHC:  lo  spazio  più  vuoto  del  sistema  solare  

Accelerare i protoni quasi alla velocità della luce richiede un vuoto spinto quanto quello dello spazio interplanetario.

Sulla Luna, l’atmosfera è 10 volte più densa di quella all’interno del tubo di trasporto dei protoni in LHC.

58  

LHC:  il  posto  più  freddo  nello  spazio    

•  I magneti di LHC operano ad una temperatura di 1.9°K (-271.35ºC), inferiore a quella dello spazio interplanetario che è 2.7°K

(-270.425ºC)

•  Per la criogenia di LHC servono 40 000 giunzioni a tenuta stagna per le condutture di raffreddamento, 12 milioni di litri di Azoto liquido vengono vaporizzati nella fase iniziale di raffreddamento ed in totale

LHC:  il  posto  più  caldo  della  galassia  

Quando due fasci di protoni collidono, generano temperature

100 000 volte superiori a quelle dell’interno del Sole, ma in uno spazio infinitesimo.

60  

LHC:  il  più  veloce  circuito  del  pianeta  

•  Milioni di miliardi di protoni percorreranno l’anello di 27 km di circonferenza in direzioni opposte, viaggiando al 99.9999991 % della velocità della luce

•  I pacchetti di protoni compiono 10000 giri al secondo e si scontrano ogni 25 ns

62"

IR6: Beam dumping system"

IR4: RF + Beam instrumentation"

IR5:CMS"

IR1: ATLAS"

IR8: LHC-B"

IR2:ALICE"

Injection ring 2!

Injection ring 1!

IR3: Momentum collimation (normal conducting magnets)"

IR7: Betatron collimation (normal conducting magnets)"

Beam dump blocks"

LHC Layout"

q 8 arcs. "

q 8 straight sections (LSS), "

"~ 700 m long."

q The beams exchange their positions (inside/outside) in 4 points to ensure that both rings have the same circumference !"

La  luminosità  dell’acceleratore    

L’LHC ha migliorato gli acceleratori esistenti in due aspetti:

q  Una energia dei fasci di 7 TeV è raggiunta usando il vecchio tunnel di LEP lungo 26.7 km.

LHC dipole field 8.3 T HERA/Tevatron ~4 T

q  La luminosità di LHC non era mai stata raggiunta:

LHC pp ~ 10³⁴ cm^-2 s^-1

Tevatron pp 3x10³² cm^-2 s^-1 SppbarS pp 6x10³⁰ cm^-2 s^-1

Fattore 2 nel campo

Fattore 4 nelle dimensioni

Fattore 30 in luminosità

Luminosità    

Il numero di eventi N per un processo di fisica con sezione d‘urto σ è proporzionale alla luminosità del collisionatore L:

*

* 2

4

f L kN

σ

= πσ

k = nr. di pacchetti= 2808!

N = nr. protoni per pacchetto= 1.15×10^11!

f = frequenza di rivoluzione = 11.25 kHz!

σ*_x,σ*_y = dimensioni fascio nel punto di collisione (hor./vert.) = 16 µm!

L σ N =

High beam “brillance” N/e

(particelle per volume spazio delle fasi) à Catena di iniezione

Piccola envelope

à Forte focheggiamento!

Per massimizzare L:

• 

• 

• 

 Energia del fascio di LHC 3000 x 100.000.000.000 protoni

Fascio 2    

   Tubi a vuoto dove

   corrono i fasci di LHC                    

Fascio1

Energia di 1 protone

LHC  

Fascio 1

Fascio 2

40 milioni di collisioni al secondo

66  

Le  collisioni  

40 milioni di collisioni al secondo

Le  collisioni  

Bunch Crossing     ^{4x107" Hz}    

7x10¹² eV       Beam Energy    

10³⁴ cm^-2 s^-1     Luminosity    

2835   Bunches/Beam    

10¹¹     Protons/Bunch  

7 TeV   Proton     Proton     colliding beams    

Proton Collisions     ^{109 Hz}  

Parton Collisions    

New Particle Production     ¹⁰⁵      _Hz        

p   ^H   p  

µ  ⁺  

µ  ^-    

Z  

p   ^p  

e  ^{-   ν  e}  

q  

q  

χ  ^{1  -}  

g^~    

~  

q  

~  

7.5 m (25 ns)  

Le  collisioni  

•  Collisione elastica:

•  entrambi i protoni riemergono intatti dall’urto

•  molto frequente (elevata probabilità)

•  Collisione anelastica:

•  disintegrazione dei protoni iniziali

•  l’urto effettivo avviene fra due quark

•  non tutta l’energia dei protoni partecipa all’urto

•  nuove particelle possono emergere dall’interazione

•  eventi più centrali

68  

ATLAS  

I  rivelatori  di  parNcelle  

I  rivelatori  di  parNcelle  

•  Le collisioni e i decadimenti non si possono vedere direttamente –  Il rate di interazione è troppo alto

–  La vita media delle particelle interessanti è troppo breve

•  Anche muovendosi alla velocità della luce, alcune particelle

(l’Higgs, i.e.) possono viaggiare solo pochi mm (o anche meno)

•  Si deve capire cosa è successo osservando le particelle a vita media lunga.

–  Occorre quidi identificare queste particelle

•  Misurare la loro quantità di moto

•  L’ Energia

•  La velocità

–  Dedurre la presenza di neutrini e altre particelle invisibili da:

•  Leggi di conservazione– misurando l’energia trasversa mancante.

I  rivelatori  di  parNcelle  

Misure  di  impulso  

•  Particelle con carica elettrica sono curvate da un campo magnetico

•  Il raggio di curvatura è lagato all’impulso della particella.

–  R = p/0.3B

•  Il rivelatore non deve disturbare il passaggio della particella

•  Rivelatori leggeri sensibili al passaggio di particelle cariche

•  Diversi strati– occorre unire (fittare) i punti!

•  E.g. tracciarore al Silicio di

CMS Elettroni

Misure  di  energia  

•  L’idea è quella di “fermare” le particelle” e misurare la loro energia.

•  Le particelle si fermano grazie ai processi di perdita di energia che producono sciami di molte particelle neutre e cariche

(produzione di coppie, bremstrahlung etc..).

•  Il rivelatore può misurare

l’energi di adroni o di elettroni/

fotoni.

•  Due principali tipi di calorimetri:

–  Omogenei: Il mezzo che causa lo sciame è anche utilizzato per

produrre il segnale che viene misurato (e.g.: il calorimetro elettromagnetico di CMS)

–  A campionamento: lo sciame si sviluppa in un mezzo, mentre un altro mezzo viene utilizzato per produrre un segnale proporzionale alla energia della particella

incidente (e.g.: calorimetri elettromagnetico e adronico di ATLAS)

Interazione  parNcelle-­‐rivelatore  

La più grande telecamera della terra!

Lunghezza: 45 m altezza: 25 m peso: 7000 ton

76  

L’esperimento  ATLAS  

ATLAS  e  CMS  

ATLAS     ATLAS   CMS   CMS  

78  

ATLAS:    

40  milioni  di  foto/s,  80  milioni  di  pixels  

Selezione,  distribuzione,  analisi  daN  

80  

World  Wide  CompuNng  GRID  

82  

LHC,  il  bosone  di  Higgs  e  la  nuova  fisica  

Un  viaggio  nel  cuore  della  materia  

Il Modello Standard: la nostra teoria delle particelle

Ø  Una descrizione matematica delle 12 particelle fondamentali (e antiparticelle) e di tre forze

Ø La gravità non è ancora inclusa

Ø  Descrive il meccanismo per acquisire la massa

Ø  Non abbiamo ancora trovato un risultato sperimentale in disaccordo con il Modello Standard, nonostante tutti gli sforzi…

Cosa resta da scoprire?

Ø  Com’era fatta la materia nei primi secondi della vita dell’Universo?

Ø  Perchè ci sono esattamente 12 particelle fondamentali?

Ø  Di cosa è composto il 96%

dell’Universo?

Se guardiamo al nostro universo, vediamo molto più della materia (o antimateria) ordinaria.

Questa quantità “extra” la chiamiamo “materia oscura”

perchè non riusciamo a vederla. Ma che cos’è?

Composizione  dell’Universo  

Materia  Ordinaria  

La  materia  oscura      

84  

Supersimmetria    

una nuova simmetria in natura: ogni  

particella ha un partner più pesante

•  è una buona candidata a spiegare la materia oscura

•  risolve alcuni problemi del Modello Standard

Extra dimensioni hanno un raggio molto piccolo -> la gravità diventa forte a piccole distanze

Se si concentrano ~TeV di energia in una piccola regione di spazio, si può formare un buco

I buchi neri decadono

spontaneamente ed evaporano a

causa della radiazione di Hawkings

•   Normal BH:

•  mass: ~ msun

•  size: ~ Km

•  T: ~ 0.01 K

•  Lifetime: ~forever

•   Mini BH:

•  mass: ~ 1000 mp

•  size: ~ 10-18 m

•  T: ~ 1016 K

•  Lifetime: 10-27 s

86  

Buchi  Neri  ad  LHC  

Buchi  Neri  ad  LHC  

•  Black hole universally and

spherically evaporating into leptons, photons and jets in ATLAS. Final state

Dalla  ricerca  fondamentale..  

•  La ricerca fondamentale spinge all’innovazione tecnologica Direttamente dalla ricerca

Ø NMR Ø PET

Indirettamente dagli strumenti

Ø Trattamento dei tumori

Ø Trattamento di scorie radioattive

Calcolo

Ø MonteCarlo Ø WWW

88