L a f is ic a d e lle p a rt ic e lle e le m e n ta ri ( ri c h ia m i) E s p e ri m e n ti a b e rs a g lio f is s o

R a d ia z io n e n e lla m a te ri a , p ri n c ip i d i ri v e la z io n e e ri v e la to ri d i p a rt ic e lle M . S io li L e z io n i d i A s tr o fi s ic a N u c le a re e S u b n u c le a re C d L A s tr o n o m ia A A 2 0 0 7 /0 8

L a f is ic a d e lle p a rt ic e lle e le m e n ta ri ( ri c h ia m i) E s p e ri m e n ti a b e rs a g lio f is s o

L a f is ic a d e lle a lt e e n e rg ie ( H E P ) s tu d ia l e i n te ra z io n i tr a p a rt ic e lle e ff e tt u a n d o e s p e ri m e n ti d i d if fu s io n e t ra p a rt ic e lle d if fe re n ti C o m e r is u lt a to d e lle i n te ra z io n i s i h a :

Modifica della direzione, energia, impulso delle particelle

creazione di nuove particelle

- lu n g h e z z e d ’o n d a p ic c o lis s im e ( λ = h /p )
s tu d io d e lla s tr u tt u ra i n te rn a - c re a z io n e d i n u o v e p a rt ic e lle E = m c

2

C o lli s io n i P

tot

= 0 (C . M .) A L T E E N E R G IE

Q u a n ti tà m is u ra b ili  4 -i m p u ls o (E , P x , P y , P z ) E = m

o

c

2

γ (e n e rg ia i n e V ) P = m

o

v γ (i m p u ls o i n e V /c )  M a s s a (i n e V /c

2

) - q u a n ti tà “d e ri v a ta ” d a E , P - m is u ra ta d a i p ro d o tt i d i d e c a d im e n to m

o

c

4

= (E

1

+ E

2

)

2

- (c p

1

+ c p

2

)

2

 C a ri c a e le tt ri c a  V it a m e d ia ττττ( L a b ) = ττττ (C M ) γγγγ - d a llo s p a z io p e rc o rs o p ri m a d i d e c a d e re  S p in - d a lle d is tr ib u z io n i a n g o la ri

E

2

= P

2

c

2

+ m

o2

c

4

γ = 1 /√ (1 - b

2

) b = v /c

m

E 1,p 1 E 2,p 2

Osservare un oggetto significa rivelare la luce che si èriflessa dalla sua superficie. Perchénon possiamo “rivelare”con i nostri occhi gli oggetti subatomici? luce = onda elettromagnetica; luce visibile = onde elettromagnetiche che il nostro occhio puòrivelare (in ultima analisi mediante un processo di foto-eccitazione molecolare) se però l’oggetto che vogliamo osservare èmolto piùpiccolo della lunghezza d’onda della nostra sonda (la luce), l’onda non èperturbata dall’oggetto e non ci fornisce informazioni; lunghezza d’onda della luce visibile: tra 400 nm(violetto) e 700 nm(rosso); diametro di un atomo: 0.1 nm; la meccanica quantistica ci insegna che al “pacchetto d’onda”èassociata una lunghezza d’onda 1/(mv); possiamo dunque usare particelle cariche accelerate e “tunare”me va piacere; ingenerale, gli effetti dell’interazione radiazione-materia non sono direttamente visibili.

U n r iv e la to re d i p a rt ic e ll e è u n “ p o n te ” c h e u n is c e , m e d ia n te o p p o rt u n e a m p li fi c a z io n i, i l n o s tr o o rg a n o d i s e n s o c o n l ’e ff e tt o p ro d o tt o d a ll ’i n te ra z io n e d e ll a p a rt ic e ll a c h e s i v u o le r iv e la re

U n p ò d i e p is te m o lo g ia : c h e s ig n if ic a v e d e re , o s s e rv a re , ri v e la re ?

S c a le d i m a s s e , e n e rg ie , lu n g h e z z e e t e m p i ( I)

1 MeV1 GeV1 TeV M e= 0.5 MeV M m= 105 MeV M p= 140 MeV

M n,p= 1 GeVM Z0 = 91 GeV M LEP= 200 GeV

M LHC= 14 TeV

S c a la e n e rg ia e m a s s e i n H E P : P a ra g o n e e n e rg ie H E P c o n e n e rg ie m a c ro s c o p ic h e

m ape= 1 g = 5.8 ·1032 eV/c2 v ape= 1 m/s →E ape=10-3 J = 6.25 · 1015 eV

1 e V = 1 .6 1 0

-19

J , c = 3 0 0 .0 0 0 k m /s → 1 e V /c

2

= 1 .8 1 0

-36

k g E

LHC

(1 p ro to n e ) = 1 .4 x 1 0

13

e V S e p e rò s i c o n s id e ra n o t u tt e l e p a rt ic e lle i n u n f a s c io ( 1 0

14

): E

tot

= 1 0

14

x 1 .4 x 1 0

13

e V ≈ 1 0

8

J E n e rg ia c in e ti c a d i u n t ir i n c o rs a

S c a le d i m a s s e , e n e rg ie , lu n g h e z z e e t e m p i (I I) s p e s s o p e r s e m p lif ic a re l e f o rm u le s i p o n e h = c = 1  h c = 1 = 1 9 7 M e V fm  E

2

= p

2

+ m

02

 [E ] = [ m ] = [ p ] = e V  λ= h /| p |= 1 /| p |= 1 /E T = L /c = 1 /| p |= 1 /E

Valori tipici di lunghezze 1 µµµµm (10-6 m)migliore risoluzione spaziale dei rivelatori 1 nm(10-9 m)lunghezza d’onda della luce visibile (400-700 nm) 1 A (10-10 m)dimensione dell’atomo 1 fm(10-15 m)dimensione del protone

Valori tipici di tempo 1 µµµµs (10-6 s)tempo di deriva di e– in 5 cm di Ar 1 ns(10-9 s)un e– relativistico percorre 30 cm 1 ps(10-12 s)vita media di un mesone B (10-23 s)tempi decadimenti nucleari forti

 1 f m 2 0 0 M e V  1 A 2 0 0 0 e V (r a g g i X )  4 0 0 n m 0 .5 e V (v is ib ile )

R e la z io n e t ra a lc u n e l u n g h e z z e e d e n e rg ie

• P a rt ic e lle c a ri c h e : – L e p to n i: e

±

, m

±

(m u o n i) s o lo i n te ra z io n i e .m . e d e b o li – A d ro n i: p ( p ro to n i) s u b is c o n o a n c h e in te ra z io n i fo rt i – M e s o n i: p

±

(p io n i) , K

±

(K a o n i) s u b is c o n o a n c h e in te ra z io n i fo rt i • P a rt ic e lle n e u tr e : - g ( fo to n i) p ro p a g a to ri d e ll’ in te ra z io n e e .m . – A d ro n i n ( n e u tr o n i) – M e s o n i K

0

(K a o n i) – L e p to n i ν (n e u tr in i) s o lo i n te ra z io n i d e b o li! (i n t e .m . s o p p re s s e )

T ip ic h e p a rt ic e lle r iv e la te i n e s p e ri m e n ti H E P

P a rt ic e lle c a ri c h e

Interazioni1.collisioniinelastichecon e- atomici 2.diffusioneelasticadalnucleoatomico 3.reazioninucleari 4.irraggiamento(bremmstrahlung) nel campo coulombianodel nucleo 5.emissioneradiazioneČerenkov Effetti

=dominanti perditad’energia deflessionedellatraiettoria

In te ra z io n i d i p a rt ic e lle c a ri c h e “p e s a n ti ”

∆Eessenzialmentetramitecollisionicon e- atomici(σ≈107 barn) Collisioni:i.soft →eccitazioneatomica ii.hard →ionizzazioneatomica(se e- prodottoionizza: knock-on) Massimo trasferimentod’energianellacollisione: θθθθm,T i

T f M T

Tmax = T (θθθθ=ππππ) = 4T i (m + M)2m M

1.collisioniinelastichecon e- atomici m »M →Tmax ≅≅≅≅4M mT ipiccolaδE nella singolacollisione elevatadensitàdel mezzo attraversato→granden. dicollisioniper camminounitario→fluttuazionimolto piccolenella∆E possibileutilizzareilconcettodienergiamedia persa per unitàdicammino: stopping powerdE/dx 2.diffusioneelasticadalnucleoatomico(σ 2< σ 1) m «M →Tmax ≅≅≅≅4m MT iancorapiccolaδE

P a rt ic e lle c a ri c h e “p e s a n ti ”

Ipotesii.e- liberoe in quiete ii.e- simuovepocodurantel’interazione iii.particellaincidentenon deflessadall’interazione: M (= m e)«m Simbologia: particellaincidente:v = velocitàiniziale(ββββ= v/c) q = caricaelettrica(in unitàdie) mezzo attraversato:N e= densitàe- atomici νννν= frequenzamedia del moto orbitaledeglie- atomici

P e rd it a d i e n e rg ia (s to p p in g p o w e r)

1) TeoriaClassica(Bohr) (γγγγ=(1 -ββββ2 )-1/2 ) 2) TeoriaQuantistica(Bethe & Bloch) dE dx-= 0.1535ρρρρZ q2 A ββββ2L (ββββ) I = hνννν= potenzialedi eccitazionemedio W M= max. energiatrasferita nellacollisione

dE dx-= 4ππππN eq2 e4 m ev2γγγγ2 m ev3 qe2 ννννln -2 ββββ22 γγγγ2 m ev2 W M I2lnL (ββββ) =

P e rd it a d i e n e rg ia (s to p p in g p o w e r)

Campo elettricodellaparticellaincidentepolarizzagliatomilungoil cammino→e- lontanisentonocampo elettrico+debole→ collisionicon talie- dannocontribuitoallaperditad’energia< di quelloprevistodallaBethe & Bloch Altiββββ→maggioreinfluenza dellecollisionicon e- lontani→effetto densitáriduzionedellostopping power →correzioneδ (effettodensitá: polarizzazionedel mezzo crescecon ρρρρ!) ββββ≤≤≤≤velocitàorbitaledeglie- atomici→non èpiùpossibile considerareglie- stazionaririspettoallaparticellaincidente→ correzionedishell C L (ββββ) →L (ββββ)–δ–2C Z

P e rd it a d i e n e rg ia – e ff e tt i c o rr e tt iv i

AL TA E NE RG

IA IA RG NE A E SS BA

P e rd it a d i e n e rg ia in fu n z io n e d e l m o m e n to d e lla p a rt ic e lla in c id e n te

1 2 3 4 5

6

810 1.0101001000100000.1 Pion momentum (GeV/c) Proton momentum (GeV/c)

1.01010010000.1

1.01010010000.1 1.0101001000100000.1

−dE/dx (MeV g

cm −1

) 2

βγ = p/Mc Muon momentum (GeV/c)

H2 liquid He gas C Al Fe Sn Pb m.i.p

P e rd it a d i e n e rg ia – e ff e tt i c o rr e tt iv i N .B . N e l g ra fi c o e ` ri p o rt a ta la p e rd it a d i e n e rg ia p e r g /c m

2

: d o v e

ξ= ρρρρx

dE dξ-=dE dxρρρρ1 -

ξ

dE dξ-∝∝∝∝ββββ 1 ββββ2dE dξ-∝∝∝∝

ββββ< 0.2 0.2 < ββββ< 0.96 ββββ= 0.96minimodiionizzazione(m.i.p ββββ> 0.96dE dξ-∝∝∝∝lnββββ risalitarelativisticaattenuatadall’effettodensità

~ costanteper particelledi= carica: q = 1 →→→→≅≅≅≅2MeV·g-1 ·cm2

dipendenzadiversaper particelle≠≠≠≠→→→→discriminazione(P.Id.)

S c a tt e ri n g C o u lo m b ia n o

Sezioned’urto«diquellarelativaallecollisionicon glie- atomici Ze, M

qe, m v

θ (Rutherford)=dσσσσ dΩΩΩΩqZ e2 p v

2 1 4 sin4θ 2

S c a tt e ri n g C o u lo m b ia n o

Multiple Scattering: trascurole diffusionia grandeangolo(θ> 10o ) →→→→ approssimazionegaussiana < θ2 > =

∫

dΩθP (θ N.B. -Stimaempiricaper < θ2 > Ipotesii.Z > 20 ii.10-3 X 0< x < 10 X 0

P (θ) ∝∝∝∝expθ2 < θ2 >-

S c a tt e ri n g C o u lo m b ia n o

< θ2 >½ ~ 21 q p [MeV/c] β[rad]x X 0

½ Livellodiconfidenzadiquestaformula ~ 5 %. Diventa~ 20 % per bassiβe altiZ N.B. -presenzadiX 0nellaformula èpuramenteaccidentale: nessuna relazionetraBremmstrahlunge ilMultiple Scattering Elettroni:m e«M →→→→altaprobabilitàdiscattering a grandeangolo→→→→ probabilitànon trascurabiledibackscattering →→→→albedoη= N back/ N incpuòesseredell’ordinedi0.8 !!

Differenzafondamentalecon le particellepesanti: causapiccolo valored m edivieneimportantel’irraggiamento!! 1.Collisioniinelastichecon e- atomici meccanismougualea quelloper particellepesanti, ma con 2 differenzesostanziali: –non piùvalidal’ipotesichela particellaincidentesimantienesulla traiettoriainiziale –urtotraparticelleidentiche→→→→modifichedinaturapuramente quantistica: indistinguibilità modifichenellaBethe -Bloch

P a rt ic e lle c a ri c h e “l e g g e re ” (e + ,e - ) d E /d x |

tot

= d E /d X |

coll

+ d E /d x |

irr

2.Bremmstrahlungnelcampo coulombianodel nucleo accelerazionenelcampo del nucleoatomico→→→→deflessionedella traiettoria⊕⊕⊕⊕emissionediradiazionee.m. (fotoni) Eγγγγ= hνννν Ze

p p

γγγγ p ≡≡≡≡e± →→→→M = m eσσσσ B(Z = 20) ~ 1 barn

σσσσ B ∝∝∝∝q4 Z2m e2 M2

P a rt ic e lle c a ri c h e “l e g g e re ” (e + ,e - )

N.B. –σσσσ B(e) σσσσ B(µ)=m µ2 m e2= 4 x 104bremms. importante solo per e± (con T > 10 MeV) lucedisincrotronesolo da macchinead elettroni Perditad’energiadie± dienergiainizialeE 0(= hνννν 0) = NdE dx- Bdννννhνννν

∫

0νννν 0 dσσσσ(E 0, νννν) dνννν= N E 0Φ Rad N.B. –dσσσσ dνννν= ννννG(Z) Φ Raddipendesolo dalmateriale

P a rt ic e lle c a ri c h e “l e g g e re ” (e + ,e - )

Confrontotrale perditedienergiaassociate alleCollisioni atomichee allaBremmstrahlung dE dx- Coll.

emissionecontinua lungoilcammino ∝∝∝∝ZlnE 0 dE dx- B

puòesseretuttain 1 o 2 γγγγ→→→→ grandifluttuazioni ∝∝∝∝Z2 E 0

Coll.

B ∝∝∝∝ZE 0 lnE 0

P a rt ic e lle c a ri c h e “l e g g e re ” (e + ,e - )

2 parametriimportanti: 1.EnergiacriticaE c energiaparticellaincidenteper la qualerisulta dE dx- Coll.

dE dx- B= E > E c→→→→dominaBremmstrahlung e± E c~ 800 ZMeV(Bethe & Heitler)

P a rt ic e lle c a ri c h e “l e g g e re ” (e + ,e - )

2.LunghezzadiradiazioneX 0 dE dx- B= N EΦ RdE B E-= N Φ Rdx Limitedienergieelevate: dominanoperdited’energiaper Bremmstrahlung Φ RindipendentedaE X 0 =1 N Φ RE = E 0e-x /X 0 (X 0= camminonecessarioaffinchéE→→→→E / e)

P a rt ic e lle c a ri c h e “l e g g e re ” (e + ,e - )

N.B. t =x X 0–dE dt-= E i.e. in termini dellavariabilet la perditad’energiaper Bremmstrahlungèindipendentedalmateriale

N a I

A l

P b

A ir

17.49.492.59

51.024.018.9

9.516.370.56

10236.2030050

E

c

(M e V ) Ξ

0

(g · c m

-2

) X

0

(c m )

(Ξ 0= ρρρρX 0)

P a rt ic e lle c a ri c h e “l e g g e re ” (e + ,e - )

Bremsstrahlung

Lead (Z = 82)Positrons Electrons Ionization Møller (e− ) Bhabha (e+ ) Positron annihilation

1.0 0.5

0.20 0.15 0.10 0.05

2 (cm

−1 g )

E (MeV)10 101001000

1 E − dE

(X dx

−1 0

)

E c

P a rt ic e lle c a ri c h e “l e g g e re ” (e + ,e - )

F o to n i

Photon Energy

1 Mb 1 kb 1 b 10 mb 10 eV1 keV1 MeV1 GeV100 GeV

(b) Lead (Z = 82) σ coherent σ incoh

− experimental σtot σp.e. σ nuc

κN κe

Cross section (barns/

atom)

10 mb

Per poter essere rivelato unfotonedeve creare o cedereenergia ad una particella carica γγγγ+ atomo →→→→ione+ +e−−−−XX−

e− Vengono estratti principalmente elettroni delle shellK σ foto∝Zσ foto∝Z θ γ σcompton Z γγγγ+ campo Coul. →→→→e+ +e−−−−

Diffusione su elettrone quasi libero

e γγγγ+ e →→→→γγγγ’+ e’

E ff et to fo to el et tr ic o D if fu si o n e C o m p to n P ro d u zi o n e d i co p p ie

La creazione di coppie avviene solo per energie maggiori di 2 meed èil fenomeno dominante per E > 20 MeV.

σ pair→7/9 A/(NaXo)σ pair→7/9 A/(NaXo)

I( x ) = I

o

ex p (- 7 /9 x /X

o

)

R ia s s u n to In te ra z io n i

lnE / EZ

C o m p to n C o p p ie

F o to e le tt ri c o

B re m s s tr a h lu n g

Io n iz z a z io n e

P ro c e s s o

lnEZ2

1 / E7/2 -1 / EZ4 –Z5

EZ2

1 / β2 Z

E n e rg ia n . A to m ic o

N e u tr o n i e n e u tr in i

1) n +6 Li →→→→a +3 He 2) n +10 B →→→→a +7 Li 3) n +3 He →→→→p +3 H

I n e u tr o n i s o n o a d ro n i “n e u tr i” . 

Ad alte energie si rivelano come tutti gli adroni(sciami) Ad energie < 1 GeV si rivelano per diffusione elastica di protoni Ad energie < 20 MeV I neutroni termici ( E = 1/40 eV) danno origine a fenomeni di fissione n l + n →→→→l- + p n l + p →→→→l+ + nl = e, m, t l’efficienza di rivelazione1 m di Ferro e ≈5 •10-1

La sezione d’urto del processo n e+n →→→→e- + p e`circa 10-43 cm2

I n e u tr in i s o n o l e p to n i n e u tr i e s i ri v e la n o s o lo c o n p ro c e s s i in d ir e tt i (d e b o li) P e r ri v e la re i n e u tr in i : - (d ir e tt a m e n te ) fl u s s i e le v a ti , r iv e la to ri g ig a n te s c h i - (i n d ir e tt a m e n te ) in c o lli s io n i c o n r iv e la to ri e rm e ti c i s i tr o v a n o i n e u tr in i c o m e a s s e n z a d i e n e rg ia , im p u ls o n e ll’ e v e n to

C la s s if ic a z io n e d e i ri v e la to ri d i p a rt ic e lle ( I) I ri v e la to ri d i p a rt ic e ll e s o n o d e g li s tr u m e n ti c h e p e rm e tt o n o d i m is u ra re i s e g n a li r il a s c ia ti a l p a s s a g g io d e ll a p a rt ic e ll a i n u n m e z z o . E s is te u n a g ra n d e q u a n ti tà d i ri v e la to ri d iv e rs i, o g n u n o o tt im iz z a to p e r e ff e tt u a re d e lle m is u re s p e c if ic h e . In g e n e ra le i ri v e la to ri v e n g o n o g ro s s o la n a m e n te s u d d iv is i in 3 g ra n d i c a te g o ri e :  c o n ta to ri (f re q u e n z a )  tr a c c ia n ti ( tr a ie tt o ri a , c a ri c a , m o m e n to )  c a lo ri m e tr i (e n e rg ia , te m p o d i v o lo ) C o m b in a n d o l e i n fo rm a z io n i d i p iù ri v e la to ri s i o tt e n g o n o in fo rm a z io n i p iù d e tt a g li a te c o m e m a s s a , v e lo c it à , s p in , ti p o d i p a rt ic e ll a .

C la s s if ic a z io n e d e i ri v e la to ri d i p a rt ic e lle ( II ) m , P , E

m , P

1

, E

1

S is te m a d i tr a c c ia tu ra m , P , E

S is te m a C a lo ri m e tr ic o

Il sistema di tracciatura determina la traiettoria della particella Se immerso in un campo magnetico B si riescono a determinare anche la carica Qed il momento P La particella subisce una minim perdita d’energia nel sistema In questo caso invece la particella viene quasi completamente assorbita Il segnale èproporzionale alla sua energia:

S = K E

+ - B

R is p o s ta e r is o lu z io n e d i u n r iv e la to re  Il s eg n al e d i ri sp o st a, Q , p ro d o tt o d al r iv el at o re a l p as sa g g io d el la p ar ti ce ll a d et er m in a il v al o re d el la q u an ti tà m is u ra b il e S : − Q è le g at a ad S d al la r el az io n e S = f (K

i

, Q ) d o v e K

i

so n o le co st an ti d i ca li b ra zi o n e. T ip ic am en te l a ri sp o st a è li n ea re ( E = K Q , X = V ( T -T

0

) ) − L a ri sp o st a è d is tr ib u it a “s o li ta m en te ” se co n d o u n a cu rv a g au ss ia n a la c u i d ev ia zi o n e st an d ar d r ap p re se n ta l a ri so lu zi o n e d el r iv el at o re

Le costanti di calibrazione: -possono dipendere dalla posizione nel rivelatore -devono essere determinate per ogni singolo canale di lettura -la loro stabilitàdeve anche essere controllata nel tempo

P ro p ri e tà d i u n r iv e la to re d i p a rt ic e lle i d e a le In u n r iv el at o re i d ea le v o rr em m o e ss er e in g ra d o d i ri co st ru ir e tu tt e le v ar ia b il i in e sa m e co n : - ri so lu zi o n e p er fe tt a - in t u tt o l ’a n g o lo s o li d o - p er t u tt e le p ar ti ce ll e in ci d en ti - co n u n a v el o ci tà d i ri sp o st a el ev at a - se n za a lc u n r u m o re - fa ci li tà e st ab il it à n el la c al ib ra zi o n e

L’efficienza di un rivelatoreèil rapporto ε= N R/N Itra il numero di particelle segnalate dal rivelatore e il numero di particelle incidenti.

L’efficienza di un rivelatoreèil rapporto ε= N R/N Itra il numero di particelle segnalate dal rivelatore e il numero di particelle incidenti. Il rumoreèdato dai segnali prodotti dal rivelatore non correlati alla particella in esame ma dovuti a fluttuazioni intrinseche del sistema (es: rumore elettronico).

Ilrumoreèdato dai segnali prodotti dal rivelatore non correlati alla particella in esame ma dovuti a fluttuazioni intrinseche del sistema (es: rumore elettronico).

Tipicamente si crea una coppia e– X+ ogni 30 eV.In Argon, a T e P Standard, una m.i.p. deposita circa 3 keV/cm i.e. si producono ≅100 coppie/cm.

P o ca c a ri ca a m p li fi ca zi o n e

I ri v e la to ri a g a s ( I)

Le particelle cariche che attraversano un gaslo ionizzanocreando delle coppie elettrone (e– ) Ione (X+ )

( Io n iz za zi o n e p ri m a ri a ).

Gli e– emessipossono produrre

Io n iz za zi o n e se co n d a ri a

(δδδδ-rays)

.

In presenza di campo elettrico gli elettroni viaggiano (drift)verso l’anodo (gli ioni verso il catodo) dove il segnale viene raccolto Le miscele privilegiano i gas Nobili in quanto le shell esterne sono completamente riempite, riducendo la ricombinazionedegli elettroni lungo il percorso

Anodo HV + Catodo a massa

Z

I ri v e la to ri a g a s ( II ) In f u n zi o n e d el la t en si o n e ap p li ca ta c i so n o d iv er si r eg im i d iv er si d i la v o ro H V ( V o lt s)

N

ioni

/N

1

2 5 0 5 0 0 7 5 0

1 1 0

2

1 0

4

1 0

8 A1A2

A3 A4 ++++++++ −−−−++++++++ −−−−

++++ −−−− ++++

Regime di ionizzazione: carica raccolta senza moltiplicazione Regime proporzionale: si forma una valanga nella regione intorno all’anodo che è proporzionale alla carica iniziale.

Regime di streamerlimitato: si formano piùvalanghe, si perde la proporzionalità

Regime Geiger: saturazione della rispost La scarica si estende lungo tutto il filo. Nelle prossimitàdel filo la valanga crea atomi eccitati che emettono fotoni capaci di ionizzare ulteriormente. Si utilizzano molecole poliatomicheaggiunte come assorbitori“quencher”es. metano (CH4), Isobutano

M W P C ( C a m e ra P ro p o rz io n a le a M o lt i F ili ) IT C ( A L E P H )

Inner Tracking Chamber Spaziatura tra anodi (d) è1 –2 mm Coordinata Z si determina con: -piani incrociati di fili -induzione su strisce catodiche segmentate -divisione di carica: z=LQ 1/(Q 1+Q 2) -tempo di arrivo (delayline)

d

x z R is o lu zi o n i m ig li o ri : σσσσ

x

≈≈≈≈ 1 0 0 µµµµ m , σσσσ

z

≈≈≈≈ 2 -3 m m

A r 8 0 % Is o b u ta n o 2 4 .5 % F re o n 0 .5 %

(C h ar p ak , 1 9 6 8 )

C a me re a d e ri v a

Regionedideriva a alto campo

anododeriva Regionedideriva a basso campo

x

scintillatore

ritardo start stop

T D C

La posizione della particella si ricostruisce misurando il tempodi arrivo degli elettroni di deriva all’anodo rispetto ad un tempo di partenza (T0 ). Tale tempo viene o assegnato tramite un contatore esterno o ricalibratocome la posizione intorno al filo

X = V

d

(T -T

0

)

Miscele tipiche Ar-Etano(50%-50% G in regime proporzionale V d= 50 µm /nscon velocitàsaturata (dVd/dHV= 0)

R is o lu zi o n e sp az ia le d et er m in at a d a 3 f at to ri - ri so lu zi o n e te m p o ra le ( 1 -2 n s) - fl u tt u az io n e st at is ti ca d el la io n iz za zi o n e p ri m ar ia - d if fu si o n e lo n g it u d in al e R is o lu zi o n i ti p ic h e: 1 5 0 – 3 0 0 µµµµ m

R is o lu z io n e i n i mp u ls o R ic o st ru it i i p u n ti s p az ia li , la cu rv at u ra d el la t ra ie tt o ri a (i n p re se n za d i B ) p er m et te d i d et er m in ar e la c ar ic a e l’ im p u ls o d el la p ar ti ce ll a .

La particella descrive un elica nello spazio ma tipicamente (nei colliders) B èparellelo al fascio(z) e la traiettoria èun arco di cerchio nel piano trasversoX-Y.

m v

2

/ρ = F

lor

= q v B /c R x

y S ρρρρ

B / / z P (G eV ) = 0 .3 B (T es la )ρρρρ (m ) S ≅ R

2

/2 ρ S 1 ≅ R

2

/8 ρ = 0 .3 B R

2

/8 P ∆∆∆∆ p /p = s q rt [7 2 0 /( N + 4 )] σσσσ

xy

p /( 0 .3 B R

2

)

Utilizzando N punti equidistanti:

B u o n a r is o lu zi o n e in P



g ra n d i B e R , b u o n a r is o lu zi o n e sp a zi a le !! P eg g io ra a ll ’a u m en ta re d i P

C a me re a p ro ie z io n e t e m p o ra le ( T P C )

iliC

dn ro eri p m

ito

i D

ism

ec

la

ag ss so a

iliC

dn ro eri p m

ito

i D

ism

ec

la

ag ss so a

Filianodici

M W PC

Determin r,φφφφ

M W PC

Determina r,φφφφ

- - - - - - -

- - - - - -

+ + + + + +

z = v

drift

t z = v

drift

t

E B

U n io n e d el le 2 t ec n ic h e:  D ri ft lu n g o Z  M W P C n el p ia n o t ra sv er so

Permette di tracciare in una grande quantitàdi spazio con pochi fili nella direzione longitudinale: -Alta risoluzione -Lenta -Limitata dalla diffusione longitudinale

E / / B E = 1 0 0 -2 0 0 V /c m , B = 1 -1 .5 T

Catodo a massa

Mi s u re d i v it e me d ie

E mu ls io n i n u c le a ri A n c o ra f o rn is c o n o l a m ig lio re r is o lu z io n e s p a z ia le ( < 1 m m ). P e r q u e s ti s c o p i, i r iv e la to ri a s ta to s o lid o h a n n o u n a g ra n d e im p o rt a n z a p e r la r iv e la z io n e d i v e rt ic i s e c o n d a ri . S o n o c o m p o s te d a m ic ro -c ri s ta lli d i A lid u ro d i A rg e n to (A g B r) d is p e rs i in u n a m a tr ic e g e la ti n o s a . L ’e n e rg ia ri la s c ia ta d a lla p a rt ic e lla io n iz z a n te p ro d u c e u n ’im m a g in e la te n te la q u a le , m e d ia n te u n a p p o s it o s v ilu p p o , s i ri d u c e a d a rg e n to m e ta lli c o . A lla fi n e d e l tr a tt a m e n to c h im ic o , il p a s s a g g io d e lla p a rt ic e lla io n iz z a n te d iv ie n e v is ib ile c o m e u n a s e q u e n z a d i g ra n i d i a rg e n to d e l d ia m e tr o d i c ir c a 0 .8 µ m i n s iz e .

100 µµµµm

P re c is io n e in tr in s e c a

Ag grain after development dx M.I.P. Track

s = 0.06mm intrinsic spatial resolution

Grain Size 0.2 µm (original crystal) development process 0.8 µm (visible at microscope)

m m µ µ 0 6 . 0 1 2 2. 0 =

E s e m p io d i ri v e la to re c h e u ti liz z a e m u ls io n i: O P E R A a l G ra n S a s s o R iv e la to re i b ri d o

(rivelatori elettronici + emulsioni)

M a s s a t o ta le = 1 .8 t o n n e ll a te , c ir c a 2 0 0 0 0 0 « m a tt o n i »