Quali prospettive di fisica dopo LHC?

Progetti futuri e nuove tecnologie:

sommario

Patrizia Cenci Sandra Leone

Ludovico Pontecorvo

XV IFAE Lecce 2003

Quali prospettive di fisica dopo LHC?

Quali altri progetti pongono sfide intellettuali/tecnologiche?

Quali rivelatori attualmente in costruzione sono particolarmente interessanti perche`

originali o innovativi

Quali sviluppi tecnologici sono promettenti per la comunita` di fisici delle particelle?

Quali applicazioni, pur non essendo direttamente

legate alla hep, utilizzano le stesse tecniche o

hanno tratto impulso da questa comunita`?

F. Piccinini

Prospettive di fisica a futuri acceleratori

F. Piccinini

F. Piccinini

Brevi richiami di fisica

P. Checchia

Rivelatore per un Linear Collider

Concetti generali del Rivelatore

P. Checchia

THE last results

G.Fogli et al., PR D66, 010001- 406,(2002)

The LMA solution for solar

neutrinos is confirmed The L/E oscillation pattern is confirmed

S. Gilardoni

Neutrino Factory

• Measure θ

via P(ν

→ν

) with a precision of 10

or setting a limit to 10

• Determine via MSW the sign of ∆m

• Discover and measure the

CP violation in the leptonic sector (phase δ) P(ν

→ν

) ≠ P(ν

→ν

)

Need of high energy ν

:

µ

→e

+ ν

+ ν

Physics at a Nufact

Sensitivity of Nufact

0.1^o 1^o 2.5^o

5^o

13^o

S. Gilardoni

µ⁺ → e⁺+ ν_µ +ν_e

ν_µ → µ⁻ ν_µ→ µ⁺ Oscillation

Wrong Sign muons 10¹⁶p/s

3 10²⁰ ν_e/yr 3 10²⁰ ν_µ/yr

0.9 10²¹ µ/yr

S. Gilardoni

Around Europe...

• First possible location: Gran Sasso 732 km

• Second location: 3500 km away best Candidates: Svalbards (Norway)

Gran Canaria (Spain)

S. Gilardoni

To study gamma ray and cosmic ray in the MeV- GeV range you need to go outside the atmosphere

Why you want to study these items if you are a particle physicist?

• Nature of Dark Matter

(possible connection with supersymmetry)

• Quantum gravity limits

• Cosmic accelerators

• Matter antimatter asymmetry

Basic problem:

Fisica delle particelle con rivelatori nello spazio:

Candidates for Galactic Dark Matter

• Massive Compact Halo Objects (MACHOs)

• Low (sub- solar) mass stars. Standard baryonic composition.

• Use gravity microlensing to study.

• Could possibly account for 25% to 50% of Galactic Dark Matter.

• Neutrinos

• Small contribution if atmospheric neutrino results are correct, since m_ν< 1eV.

• Large scale galactic structure hard to reconcile with neutrino dominated dark matter

• Weakly Interacting Massive Particles ( WIMPs)

• Non- Standard Model particles, ie: supersymmetric neutralinos

• Heavy (> 10GeV) neutrinos from extended gauge theories.

A. Morselli

EGRET data & Susy models

~2 degrees around the galactic center

EGRET data

A.Morselli, A.Lionetto, A.Cesarini, F.Fucito, P.Ullio, 2002

Annihilation channel b-bbar Mχ =50 GeV

background model(Galprop) WIMP annihilation (DarkSusy) Total Contribution

A. Morselli

A.Morselli, A.Lionetto, A.Cesarini, F.Fucito, P.Ullio, 2003

~2 degrees around the galactic center, 2 years data

(Galprop)

(one example from DarkSusy)

GLAST Expectation & Susy models

Annihilation channel W⁺W^- m_x=80.3 GeV

A. Morselli

Gamma-ray Large Area Telescope

GLAST

… 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 ...

Past, Present and Future Projects Past, Present and Future Projects

C 94

C

97 C 98 TS 93

M 89 M 91

MASS-89, 91, TS-93,

CAPRICE 94-97-98 PAMELA

PAMELA

NINA-2

NINA-1

NINA- 1

NINA- 2

SILEYE-2 SILEYE-

1

ALTEINO: SILEYE-3

ALTEA:

SILEYE- 4 SILEYE-

1

SILEYE- 2

SILEYE-

3 SILEYE- 4

GLAST

WiZard Program

AGILE

A. Morselli

AMS

AMS

Altezza: 320

Altezza: 320 - - 390 Km 390 Km Inclinazione 51.7°

Inclinazione 51.7°

A. Morselli

• Protoni fino ad alcuni TeV

• Antiprotoni fino a 200 GeV

• Elettroni fino al TeV

• Positroni fino a 200 GeV

• Nuclei fino ad alcuni TeV

• AntiNuclei fino al TeV γ fino a 100 GeV

• Isotopi leggeri fino a 20 GeV

Cosmic rays Cosmic rays Particle

Particle physics physics

H.E.

H.E.

astrophysics astrophysics

How do particles reach 10²⁰ eV?

Bottom-up or top-down mechanisms ?

What are the origin and the acceleration mechanisms of Galactic cosmic rays ?

Where does the extragalactic component turn on ?

Spectrum and composition above 1 TeV up to 10¹⁸ eV.

The observed structures in the energy spectrum

...input to and from hadronic interaction models

Is there an upper end to the energy spectrum ?

A. Castellina

The Cosmic Ray Spectrum

Different techniques for different fluxes

The interesting structures

?

? ? ?

A. Castellina

AGASA correct No cut-off

Isotropy Clustering

ƒUHEs come from Top-Down mechanisms

ƒUHE are not hadrons but neutrinos

ƒLorentz invariance is violated

Origin in Local Supercluster (<50 Mpc)? [Sigl]

Strong magnetic field Æ isotropy

Magnetic lensing can create clustering

HiRes correct Cut-off

ƒOrigin from Bottom-Up mechanisms

ƒSources are cosmologically distributed

ƒUHEcrs are hadrons

ƒTop-Down models are excluded Charged particle astronomy

A. Castellina

AGASA/HiRes discrepancy:

AUGER Experiment

Argentina + Utah sites (each 3000 km²), E > 5 10¹⁸eV

1600 water tanks

(10m² each)

6 fluorescence telescopes (10 m² each)

At Mendoza site (AR):

A. Castellina

Physics Motivations Physics Motivations

In the

In the Standard ModelStandard Model with massivewith massive DiracDirac neutrinos neutrinos Lepton Lepton Flavour Violation processes

Flavour Violation processes (as(as µ →µ → eγγ, , τ τ →→ eγeγ, , µ µ →→ eee, eee, µ →µ → ee) are predicted ) are predicted at immeasurably small levelsat immeasurably small levels .. However,

However, Super Symmetric TheoriesSuper Symmetric Theories predict such processespredict such processes at much more reasonable ratesat much more reasonable rates..

Since the

Since the SM background is negligible, SM background is negligible, processes like processes like µ →µ → eγγ are clear evidences for Super Symmetryare clear evidences for Super Symmetry..

Problem:

Problem: are such rates are such rates experimentally observableexperimentally observable ??

(

)

F. Cei

L’Esperimento MEG:

SUSY Indications SUSY Indications

LFV processes especially sensitive to SSM grand unified theories (SUSY-GUT).

LFV induced by

LFV induced by finite finite sleptonslepton mixingmixing through

through radiativeradiative correctionscorrections..

Some predictions:

SUSY SU(5):

BR (µ → eγ) ≈ 10^-14 ÷ 10^-13 SUSY SO(10):

BR_SO(10) ≈ 100 BR_SU(5)

R.

R. BarbieriBarbieriet al.,et al.,Phys. Lett. Phys. Lett. BB338338(199(19944) 21) 2122 R. BarbieriR. Barbieriet al.,et al.,Nucl. Phys. Nucl. Phys. B445B445(1995) 215(1995) 215

F. Cei

Experimental Bound

Goal of MEG

Small (< 10) tan β values are highly disfavoured by recent combined LEP data. (hep(hep--ex/0107030)ex/0107030)

tan β = 30

Required Performances Required Performances

1 x 10 1 x 10^--1313 1.2 x 10 1.2 x 10^--1111 4.9 x 10 4.9 x 10^--1111 1.7 x 10 1.7 x 10^--1010

1 x 10 1 x 10^--99 3.6 x 10 3.6 x 10^--99

BRBR (90% CL) (90% CL)

20052005 19991999 19861986 19791979 19771977 19771977 YearYear

100100 2.5 x 10

2.5 x 10⁷⁷ 1919

4 0.15

0.8

MEGMEG

(6..7) (6..7) 2.5 x 10

2.5 x 10⁸⁸ 1717

1.61.6 4.54.5

1.21.2 MEGAMEGA

(6..9) (6..9) 4 x 10

4 x 10⁵⁵ 8787

1.31.3 88

88 Crystal Box

Crystal Box

6.46.4 2.4 x 10

2.4 x 10⁵⁵ 3737

1.91.9 88

8.88.8 LANLLANL

100100 2 x 10

2 x 10⁵⁵ --

6.76.7 8.78.7

1010 TRIUMF

TRIUMF

100100 5 x 10

5 x 10⁵⁵ --

1.41.4 9.39.3

8.78.7 SIN SIN

Duty Duty cycle (%) cycle (%) Stop rate

Stop rate (s(s^--11))

∆θ∆θ_eγeγ (mrad(mrad))

∆∆tt_eeγγ (ns)(ns)

∆∆EE_γγ/E/E_γγ (%)(%)

∆∆EE_ee/E/E_ee (%)(%) Exp./Lab

Exp./Lab

Experimental sensitivity limited by spill-in of background (especially accidental) into signal region Æ high resolution measurements are needed. The accidental BR is

To obtain

To obtain BR (BR (µ →µ → eeγ)γ) ≈≈ 1010^-13-13 we must havewe must have BRBR_accacc ≈≈ 3•3•1010^-14-14 and this requires:and this requires:

eγ eγ

γ e

µ

acc R ∆E ∆E ∆θ ∆t

BR ∝ × × ² × ² ×

FWHMFWHM

F. Cei

Experimental Strategy Experimental Strategy

™ Use a high-intensity muon beam and

µ-decay at rest;

™ Measure γ time, energy and angle by using a fast & high- resolution e.m. calorimeter;

™ Measure e⁺ momentum by using a high-resolution spectrometer;

™ Measure e⁺ time by using fast counters (scintillator bars);

™ Use a trigger scheme based on the e⁺-γ coincidence.

1m

e⁺

Liq. Xe Scintillation Detector

γ

Drift Chamber Liq. Xe Scintillation

Detector

e⁺ γ

Timing Counter Stopping Target

Thin Superconducting Coil Muon Beam

Drift Chamber

¾ 800 l of Liquid Xenon

equipped with ≈ 800 PMTs;

¾ Homogeneous detector;

¾ Only scintillation light;

¾ Large light yield (~ NaI).

LXeLXe Calorimeter PerformancesCalorimeter Performances

Full MC simulationMC simulation Position

Position resolutionresolution:: Corresponding to:

Corresponding to:

Z-Z-coordinatecoordinate resolution: resolution:

mm

≈ 5

≈ _y

x σ

σ

mrad 7

5 6 ÷

≈

≈σ . σ_{ϑ ϕ}

mm

≈ 5

σ

F. Cei

••

“Golden modes”

Quattro “super-clean” inputs dalla fisica dei

K e dei B contribuiscono a verificare la descrizione della violazione di CP e il mixing dei quarks

d d s s d s

B B

B B x x

−

= −

ν ν π

→ ⁰

L0

K

E787/E949 (BNL) CKM (FNAL)

KOPIO (BNL) E391A (KEK)

BABAR, BELLE CDF, LHCB

ν ν π

→ ⁺ K+

d

K

B → Ψ

d d s s d

s

B B

B B

x x

−

= − ^{CDF, LHCB}

BTeV

|V*_ts V_td|

Im (V*_ts V_td) ∝ η sin 2β

|V_ts /V_td|

G. Anzivino

L’esperimento KOPIO

Branching ratio previsto dallo SM (3 ± 1) x 10^-11

Limite attuale < 5.9 x 10^-7 (KTeV) (da π⁰ → e⁺e^-γ)

Il decadimento K

→ π

νν

Sfida sperimentale posta da K

π

νν

 Segnatura sperimentale molto debole

ƒ Solo due fotoni rivelati

ƒ A priori non è noto il vertice di decadimento né l’energia del K

 Fondi da controllare:

• Decadimenti del K

ƒ 34% dei decadimenti del K_L ha almeno un π⁰, per esempio K_L

→

→

ƒ cattiva identificazione, es. K_L

→

• Fondo di neutroni del fascio

• Decadimenti di iperoni, e.g. Λ →π

n

G. Anzivino

Concetto dell’esperimento

fascio primario impulsato

impulso del K_L con TOF π⁰ da K_L → π⁰νν è ricostruito G. Anzivino

™ Risultati attesi: 41 eventi su 18.9 di fondo

™ dal “draft TDR”, per 500 gg di presa dati con 7 × 10¹³ ppp

™ SES ~ 10^-12

™ Successive analisi indicano un

miglioramento ~ 25% legato a tecnicalità del fit geometrico

G. Anzivino

L. Grandi

WARP

L. Grandi

L. Grandi

S₁ S₂

Drift time

L. Grandi 14 MeV neutron gun measurements

M.I. Martinez

Si Drift Detectors di ALICE

SDD Layers

– Anodes along z – Drift along rφ

– 22 x 8 detectors in the outer layer – 6 x 14 detectors in the inner layer

Si Drift DetectorsSDD)

– r = 14.9, 23.8 cm → 1.3 m² – 133 Kchannels

– rφ resolution 35 µm – z resolution 23 µm Silicon wafer: 300 µm thick

7.5x7 cm² active area, 35 mm max drift length

Detector operation

Collection bias HV divider

ionizing particle

M.I. Martinez

Resolution

Beam test results for the resolution along the drift axis and anode axis from 2002 data

417 V/cm 667 V/cm

292 V/cm 542 V/cm

M.I. Martinez

Il sistema di TOF in ALICE

• Il TOF di ALICE identifica k, π, p prodotti nella regione centrale con impulsi da 0.5 a 2.5 GeV/c

• Caratteristiche fisiche del rivelatore:

– Risoluzione temporale <100ps – Alta efficienza >95%

– Alta granularità 10⁵ canali in modo da consentire bassa occupancy 15%

– Garantire il funzionamento in presenza di rate elevati 50Hz/cm2

– Coprire un’area di circa 150m²

Scelta su rivelatori a gas MRPC Scelta su rivelatori a gas MRPC

A. Margotti

Perche` un MRPC a doppio stack?

Piazzola catodo segnale Piano resistivo (catodo)

Piani di vetro

Piano resistivo (anodo) Piazzola anodo segnale

6 gaps

3 gaps

3 gaps

Soluzione:

MRPC a

doppio stack

VANTAGGI:

• Tensione di lavoro bassa

• Impronta lasciata dalla carica sul pad più

concentrata

Piazzola catodo segnale Piano resistivo (catodo) Piani di vetro

Piano resistivo (anodo) Piazzola anodo segnale Piano resistivo (catodo) Piani di vetro

Piano resistivo (anodo) Piazzola anodo segnale

-HV

-HV +HV 0

-HV

A. Margotti

Esempio di MRPC a 6 gaps

Risultati del test beam – Ottobre 2002

Ottima uniformita` di prestazione in efficienza e risoluzione temporale

Efficienza ~ 99.9%

Risoluzione

temporale ~ 55 ps

Scan in tensione su una strip per verificarne l’uniformità in diversi pad.

Il plateau si raggiunge oltre i 12 KV:

A. Margotti

•Ogni strip è composta da 96 pads disposti su due file di 48 ciascuna.

•Le dimensioni di ogni pad sono 37x25mm e coprono un’area attiva di 1200x74mm.

Transition Radiator Detector (TRD)

X Detectors

(MWPC Xe-CO₂)

Regular radiator: foils regularly spaced (CH₂,Mylar) Irregular radiator: foam or fibres (C, CH₂)

N. Mazziotta

TRD applications

Particle ID

Particle ID: is based on the threshold properties of the TR Energy measurement

Energy measurement: if the mass is known, the energy can be tagged only in the limited range between γ_th and γ_sat, and above γ_sat (below γ_th) it is possible only to set a lower (higher) limit

Charge measurement

Charge measurement: charge identification of high energy nuclei in particle astrophysics

N. Mazziotta

Sci-TRD

Possible solution to improve TRD rejection power Possible solution to improve TRD rejection power

• Two-component heterogeneous scintillation detector: small high Z (BGO) micro-granules into scintillation plastic bulk

• TR photons are absorbed mainly in high Z scintillation medium, but ionization from primary particle and long-range δ-rays is shared between the high Z and the plastic scintillator

• The signals from BGO and plastic can be separated due to big difference in decay times

• The Sci-TRD is interesting for space experiments because “no gas”

N. Mazziotta

Si-TRD

High Z gas detectors are typically used to detect TR X-rays Background = ionization energy loss of (non-)radiating particles

Few 10 µm pitch silicon strip det (SSD) can be used to well separate the particle from photons in short distances

Separation of the TR X-ray from the charged parent

particle track by means of a magnetic field

B field region

radiator

X-ray

particle

N. Mazziotta

~10 cm B ~ 1T

radiator

z axis

y axis

Si thickn.

≈ 300 ÷ 400 µm

Silicon single side

b-Physics with Particle Identification B

K

K

Purity=13% Purity=84%

Efficiency=79%

No RICH With RICH

T. Bellunato

RICH di LHCB

radiator CF₄ n (600 nm) 1.0005 p_threshold (π) 4.4 GeV/c

N_p.e. 24

σ_θ 0.58 mrad p (3 σ) 100 GeV/c

RICH 1 RICH 2

radiator C₄F₁₀ Aerogel n (600 nm) 1.0014 1.03

p_threshold (π) 2.6 0.6 GeV/c N_p.e. 32.7 6.6

σ_θ 1.45 2 mrad

p (3σ) 50 10 GeV/c

RICH layout

Flat mirror

PD plane

T. Bellunato

Aerogel as Cherenkov Radiator

Rayleigh scattering

linked network of SiO2 particles density = 0.15 g/cm

hygroscopic or hydrophobic

3

T. Bellunato

10 10²

mm

mm

π run 30k events

9 GeV/c π

10 10 ²

mm

mm

6 to 10 GeV/c π / proton

The Beam

π /p 6 GeV/c 30k events

Particle Identification Performance

T. Bellunato

Rivelatori

Rivelatori Bolometrici Bolometrici

bagno termico termometro cristallo

assorbitore particella

incidente

debole accoppiamento termico

∆T=E/C

C_lattice ∼ T³ C_elettroni ∼ T

T ∼ 10 mK

dielettrici e diamagnetici Bassa C

C. Bucci

Termometri:

termistori Ge NTD

Film Superconduttori Decadimento Doppio Beta:

Violazione del numero leptonico

Mibeta

Mibeta ( (

Te) Te)

5 moduli, 4 rivelatori ciascuno, alloggiati in una struttura

a torre (6.8 kg)

Dito freddo: 7 mK

La torre era circondata da uno schermo interno di

piombo Romano

Ogni rivelatore è un cristallo 3x3x6 cm³ di TeO₂ (340 g)

C. Bucci

Risultati Risultati

Spettro di fondo in anticoincidenza dei 20 cristalli nella regione intorno all’energia del DDB0ν

Statistica totale ∼ 4.3 kg x y.







⋅

≥ 2 . 08 10

anni 90 % CL

0 2 / 1

τ

(

)

* In dipendenza dei valoriadottati per le matrici nucleari

C. Bucci

Cuoricino Cuoricino

Sezione piana

Dito freddo

Torre

Schermo di Pb Mixing chamber

This detector will be completely surrounded by active materials.

Substantial improvement in BKG reduction

11 moduli

4 rivelatori ciascuno Dimensione: 5x5x5 cm³

Massa: 790 g

2 moduli

9 rivelatori ciascuno, Dimensione: 3x3x6 cm³

Massa: 340 g

Total mass 40.9 kg

C. Bucci

•

• (High-resistivity silicon) (Low-resistivity silicon)

L. Servoli: Sviluppi recenti degli “Active Pixel Sensors IFAE – 23-26 Aprile 2003 - Lecce

How to implement a Monolithic Active Pixel Sensor (MAPS) ?

High-resistivity substate

(good for (good for standard standard siliconsilicon sensors) sensors) ÎÎmodificationmodificationof CMOS technologyof CMOS technology (only small structure (only small structure ~~1 mm1 mm^{2 2} active area)active area)

Low-resistivity substate

(standard CMOS

(standard CMOS technologytechnology) )

ÎÎmodificationmodificationof signal of signal generationgeneration and collectionand collection..

(current (current working working technique)technique)

Sviluppi di Active Pixel Sensors

How APS works: the sensor side.

How APS works: the sensor side.

L. Servoli: Sviluppi recenti degli “Active Pixel Sensors”

IFAE – 23-26 Aprile 2003 - Lecce

80 e/h pairs /µm Î 200 - 2000 pairs

L. Servoli

Why we need (may

Why we need (may - - be) APS in HEP? be) APS in HEP?

Violazione del numero leptonico

L. Servoli: Sviluppi recenti degli “Active Pixel Sensors”

IFAE – 23-26 Aprile 2003 - Lecce

L. Servoli APS characteristic (1):

APS characteristic (1):

Lower power consumption ^(~~ 100 mW for ~~1Mpixel);

Spatial resolution ^(~~ 1 µm with analogue readout);

Radiation tolerance (inherent to deep submicron technology);

Low noise due to the closeness of the signal generation to the amplification stage;

Very low multiple scattering possible, reducing the thickness of the substrate.

Standard CMOS technologies (for mass-market consumer use:

videocameras, camera-on-a-chip) Î low cost , wide wafers (8” or 12“);

High integration (reduces fabrication complexity allowing the integration of several components on a chip);

Random pixel access (allows fast windowing on regions of interest)

The RAPS sensor.

The RAPS sensor.

• Same general line of APS with the following peculiarities:

• 0.18 µm CMOS technology;

• No epitaxial layer;

• Modified readout scheme (WIPS);

L. Servoli: Sviluppi recenti degli “Active Pixel Sensors IFAE – 23-26 Aprile 2003 - Lecce

A BNo-Epi With-Epi L. Servoli

DELOCALIZZAZIONE e BAND-GAP

Nonostante siano diversi dai cristalli inorganici, i semiconduttori organici possono anch’essi essere rappresentati da:

h⁺ e^-

E_g

- livelli energetici (banda di valenza e di conduzione) separati da un gap energetico

- 2 portatori di carica, elettroni e lacune

M. Sampietro Rivelatori basati su semiconduttori organici

- Carbonio ibridizzato sp

, struttura planare

- Legami σ nel piano e legami π fuori dal piano

.compartecipazione (delocalizzazione) degli elettroni π

.conduzione nel piano

PERCHE’ USARE

SEMICONDUTTORI ORGANICI ?

• Flessibilità meccanica,

• possibilità di coprire grandi superfici,

• emissione di luce nel visibile (… schermi),

• proprietà modificabili per via chimica,

• facilità di deposizione virtualmente su ogni tipo di substrato, anche attivo,

• buon matching dell’indice di rifrazione aria-rivelatore

M. Sampietro

Cr Au

quartz V_BIAS

light

R_F C_F

V_OUT

dithiolene

RIVELATORI per radiazione infrarossa I.R.

Layout

M. Sampietro

Ditioleni

SVILUPPI 2003

Il picco della risposta può

essere spostato con modifiche della struttura chimica

800 1200 1600 2000

0 20k 40k 60k 80k

absorption [a.u.]

λ [nm]

Pd neutral

Pd

reduced Ni

reduced

Tunable response

( Matching con la 2° e 3° finestra delle fibre ottiche )

2µs light pulse @ 470nm, V

=70V, L= 12µm

Cr Au

quartz V_BIAS

light

R_F CF

V_OUT dithiolene

FOTORIVELAZIONE NEL VISIBILE

M. Sampietro

Cristallo scintillatore

Fodera di fotodiodo

(evenutalmente pixellata)

Il cristallo scintillatore (e quindi il fotorivelatore) può avere forma inusuale.

La struttura a pixel permette di acquisire anche la coordinata longitudinale di interazione

APPLICAZIONI con CRISTALLI SCINTILLATORI

M. Sampietro

Ruolo della Fisica per i Beni Culturali Ruolo della Fisica per i Beni Culturali

•

•

di intervento sull’opera

datazioni

analisi di composizione dei materiali

imaging

diagnosi dei problemi di deterioramento

quasi tutte le tecniche fisiche sono non invasive:

possibilità di indagine senza effettuare prelievi o comunque danneggiare l’opera

N. Grassi

Fisica Nucleare e Beni Culturali Fisica Nucleare e Beni Culturali

• Ion Beam Analysis (IBA)

con acceleratori o sorgenti

• Fluorescenza X (XRF)

analisi di materiali

•

Spectrometry (AMS) datazioni con ¹⁴C

N. Grassi

Galileo: alcuni fogli Galileo: alcuni fogli

manoscritti non manoscritti non

datati

datati … …

note di esperimenti e calcoli…

…teoremi in bell’ordine, glosse,

sottolineature…

…sequenze di numeri e calcoli in disordine…

…correzioni e cancellature

N. Grassi

… … e uno datato: note di spesa nel e uno datato: note di spesa nel

Ms Ms .Gal.26 .Gal.26

N. Grassi

“ “ Datazione” Datazione”

del f.128

del f.128

18/10/1604

v(s), v(t), s(t)

N. Grassi

Progetto SPARC e Proposta SPARX per un SASE FEL

• Program for an Italian Coherent X-ray Source

• 1st phase(R&D): the Project SPARC @LNF-INFN 150 MeV Photo-injector R&D Project (LINAC) to investigate High Brightness e

Beam Production

• 2nd phase: Proposal for a X-Ray laser SPARX:

(ENEA/CNR/INFN/Tor Vergata Univ.) aiming at

building a 2.5 GeV Linac driving a 1.5 nm SASE-FEL

L. Serafini

What is a SASE-FEL Radiation Source?

a Bright Electron Beam propagating through an Undulator

Spontaneous Radiation:

peaked at λ_r ≅ λ_u / 2γ²(1 + K²) ; γ ≥ 2^.10³ Beam rms divergence σ’≅ 1/γ ≅ 1 00 µrad

(Compton Backscattering of undulator virtual photons)

I _r ≅ Ν _e ; Ν _e number of electrons per bunch (≅ 10⁹)

Interaction of a bright electron beam with a stro ng optical field in an undulator magnet

results in a density modulation

of the electron bunch at the optical wavelength.

This leads to COHERENT EMISSION

L. Serafini

L. Serafini

Interaction of e^- with Spontaneous Radiation causes Microbunching and SELF-AMPLIFICATION of Spontaneous Emission (SASE)

In the SASE mode the Intensity: I _ph ≅ Ν _e^{α α > 4/3};Ν _e number of electr.(≅ 10⁹) Amplification gives extraordinary High Photon Flux (diffraction limited beam) Beam rms divergence σ’≅ λ / 2πσ_e ≅ few µrad

- Free Electron Lasers operate routinely in the IR and UV region of the spectrum with optical resonators

- For wavelengths < ~ 200 nm

the reflectivity of mirrors deteriorates - Self-Amplified- Spontaneous-

SASE-FELs will allow an unprecedented upgrade in

Source Brilliance

Why a Coherent X-ray Source in Italy ?

Covering from the VUV to the 1 Å X-ray spectral range:

new Research Frontiers

SPARX

Intermediate between TTF-FEL (90-5 nm) and

TESLA-FEL (1 Å)

TTF

12.4 1.24 0.124 λ (nm)

L. Serafini

This Ultra-Bright Coherent Radiation (high peak brightness, ultra short(< 100 fs) radiation pulses) opens up new

Research Frontiers in several fields:

• Atomic physics

• Plasma and warm dense matter

• Femtosecond chemistry

• Life science

• Single Biological molecules and clusters

• Imaging / holography

• Micro and nano lithography

X-rays are the ideal probe for determining the structure of matter on the atomic and molecular scale

“Science with Soft X-Rays”, Nevill Smith, Physics Today, January 2001

L. Serafini

Un ringraziamento particolare a tutti gli speakers, che sono stati tutti

bravissimi

Un ringramento agli Organizzatori, che hanno reso possibili queste due

giornate di interessanti discussioni.