Rivelatori per la per la Fisica Fisica delle delle Alte Alte Energie Energie

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Rivelatori

Rivelatori per la per la Fisica Fisica delle delle Alte Alte Energie Energie

a.a. 2010-2011 Marisa Valdata

Da semplici idee Ad apparati complicati

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Lezione

Lezione 1. 1.

ƒ ƒ Programma Programma

ƒ ƒ Bibliografia Bibliografia

ƒ ƒ Introduzione Introduzione

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PROGRAMMA PROGRAMMA

• Introduzione

• Cenni su acceleratori di particelle e fasci estratti

• Interazione delle particelle con la materia – Perdita di energia per ionizzazione

– Scattering multiplo

– Lunghezza di radiazione – Sciami elettromagnetici

– Radiazione Cerenkov e di transizione

• Rivelatori di particelle

– Rivelatori di posizione e tracciamento a gas e di silicio

– Scintillatori organici ed inorganici,fotomoltiplicatori, fibre scintillanti – Calorimetria: calorimetri omogenei ed a sampling.

– Identificazione di particelle: misure di dE/dx, tempi di volo, rivelatori

Cerenkov, rivelatori di radiazione di transizione.

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BIBLIOGRAFIA BIBLIOGRAFIA

TESTI

• C. Grupen,Particle Detectors, Cambridge University Press, 1996

• R. Fernow, Introduction to Experimental Particle Physics,Cambridge University Press, 1992

• W.R.Leo, Tecniques for Nuclear and Particle Physics Experiments,

Springer Verlang, 1994

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BIBLIOGRAFIA

BIBLIOGRAFIA ^{…… ……}

Altri utili testi:

• Dan Green, The Physics of Particle Detectors, Cambridge University Press,2000

• Konrad Kleinknecht, Detectors for Particle Radiation, Cambridge U.K.

• Blum & Rolandi, Particle Detection with Drift Chambers, Springer

Verlang, 1994

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BIBLIOGRAFIA

BIBLIOGRAFIA ^{…… ……}

ARTICOLI DI RIVISTA:

• Experimental Tecniques in High Energy Physics, T.Ferbel (editore),World Scientific, 1991

• Instrumentation in High Energy Physics, F.Sauli (Editore), World Scientific, 1992

ALTRI:

• Particle data Book (Phys. Rev. D)

• R. Bock, a. Vasilescu, Particle Data Briefbook

http://www.cern.ch/Physics/ParticleDetector/Briefbook

• Proceedings di conferenze sugli apparati (Vienna VCI, Elba, IEEE)

• Introduction to radiation detectors and electronics (Helmut Spieler, Lecture Notes – Physics 198,Spring semester 1999- UC Berkeley)

http://www-physics.lbl.gov/~spieler/physics_198_notes_1999/index.html

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Il piu Il piu’ ’ vecchio vecchio rivelatore rivelatore ( ( di di fotoni fotoni )… )…

• Alta sensibilità ai fotoni

• Buona risoluzione spaziale

• Range dinamico molto largo (1:10

) + adattamento

automatico della soglia

• Discriminazione in energia (lunghezza d’onda)

• Piuttosto lento (velocità di

acquisizione +analisi ~10 Hz)

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Lastre

Lastre fotografiche fotografiche

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Tubo Tubo a raggi a raggi catodici catodici

10

Tubo Tubo a raggi a raggi catodici catodici

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12

13

Progresso…..

Progresso…..

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Un Un decadimento decadimento W W

W W

in Aleph in Aleph

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Un evento Un evento simulato simulato in ATLAS (CMS) in ATLAS (CMS)

H H Æ Æ ZZ ZZ Æ Æ 4 4 µ µ

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Introduzione Introduzione

La reazione e

e

→ Z

→qq:

• Conosciamo le particelle interagenti (e

e

)

Æ ACCELERATORI

• Per ricostruire la reazione e le

proprietà delle particelle coinvolteÆ la massima informazione sui prodotti finali (gli unici a noi accessibili)

Æ APPARATI SPERIMENTALI

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Introduzione Introduzione

Acceleratori Acceleratori : :

• • Accelerano Accelerano particelle particelle stabili stabili (elettroni ( elettroni, , positroni positroni , protoni , protoni, , antiprotoni antiprotoni) ) PS, AGS, SPS ….

Anelli

Anelli di di Collisione Collisione (Colliders ( Colliders): ):

• • Siamo Siamo nel nel c.m.: le c.m.: le particelle particelle collidono collidono fra fra loro loro LEP, LHC, Tevatron LEP, LHC, Tevatron, , PEPII

PEPII . .

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Introduzione Introduzione

Apparati Sperimentali.

Apparati Sperimentali.

Particelle incidenti:

Particelle incidenti:

• • Elettroni,positroni Elettroni,positroni

• • Protoni, antiprotoni Protoni, antiprotoni

• • Protoni protoni Protoni protoni

• • Elettroni, protoni Elettroni, protoni

Prodotti finali:

Prodotti finali:

• • Particelle cariche Particelle cariche

• • Particelle neutre Particelle neutre

• • Fotoni Fotoni

• • neutrini neutrini Esempio Collider Esempio Collider

•Copertura di tutto l’angolo solido senza buchi e altamente segmentato

•Misura dell’impulso e/o energia

•Identificazione delle particelle finali

•Rapido (senza tempo morto)

Le particelle sono rivelate tramite le loro interazioni con la materia.

Diversi processi fisici coinvolti (essenzialmente elettromagnetici)

Osserviamo la ionizzazione e l’eccitazione ionizzazione eccitazione della materia

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Definizioni

Definizioni ed ed unita unita ’ ’

L’ Energia L’ Energia è definita come: E è definita come: E

=p =p

c c

+m +m

c c

• • Energia E ; si misura in eV Energia E ; si misura in eV (e suoi multipli KeV (e suoi multipli KeV , MeV , MeV, , GeV, GeV , TeV TeV) )

• • Impulso p : si misura in eV Impulso p : si misura in eV /c (e suoi multipli) /c (e suoi multipli)

• • Massa a riposo m Massa a riposo m

: si misura in eV : si misura in eV/c /c

L’eV corrisponde all’energia ΔU guadagnata da un elettrone posto in una

d.d.p. ΔV=1V

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Definizioni

Definizioni ed ed unita unita ’ ’

• • Masse Masse

– Elettrone (e) ~ 0.5 MeV

– Muone (μ) ~105 Mev

– Pione (π) ~140 MeV

– Protone e neutrone (p,n) ~938 MeV – Fotone e neutrino(γ,ν)~0. MeV

• • Lunghezze Lunghezze

– 1 μm (10

m) -risoluzione spaziale degli apparati – 1 nm (10

m) -lunghezza d’onda del verde (~500nm) – 1 Å (10

m) - dimensioni dell’atomo

– 1 f (10

m) -dimensioni del nucleo

• • Tempi Tempi

– 1μs (10

s) deriva di 5 cm di un e in un gas (camere a a deriva – 1 ns (10

s) un fotone fa 30 cm in 1 ns (nel vuoto)

– 1 ps (10

s) vita media di un mesone B

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Definizioni ed

Definizioni ed unita’ unita’

Spesso si usa:

Spesso si usa:

In tali unità::

[E] = [p] = [m] = [t

[E] = [p] = [m] = [t^--11] = [x] = [x^-1-1] = eV] = eV

Per passare dalle unità adimensionali a quelle dimensionali dobbiamo conoscere:

• la velocita’ della luce c=3x10c=3x10⁸⁸m/s e la costante di Plankm/s h=6h=6.62x10.62x10^--3434J sJ s Æ

Æ (h/2π(h/2π)c ~ 0.2 GeV f ~ 2000 eV )c ~ 0.2 GeV f ~ 2000 eV ÅÅ

________________________________________________________________

______________________________________________________________________________________

Ricordando il principio d’indeterminazione ΔxΔx··ΔΔ(pc) = (h/2(pc) = (h/2ππ) c ) c ÆÆ

• Per risolvere le dimensioni di un atomo (~Å10^-10m) servono energie ~KeV

• Per vedere dentro un nucleo ( ~ f 10^-15m) dobbiamo avere energie ≥ 200 MeV

• Per distinguere i costituenti di un protone servono energie ~ GeV

1 c =

h =

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Cinematica relativistica Cinematica relativistica

Formule base:

Valide anche nel caso non relativistico Æ γ ~ 1+1/2 β²Æ K=1/2 mv² (per quanto riguarda l’energia cinetica e la quantità di moto)

Energie (impulsi) sono classificati come segue:

γ ∼ 1γ ∼ 1 non relativisticonon relativistico γ > 1

γ > 1 relativisticorelativistico γ >>

γ >> 11 ultrarelativistico (in questo caso K~Eultrarelativistico (in questo caso K~E))

2 4 2 2

2 2

2

) 1 (

cinetica energia

energia

1 ) ( 1

impulso velocita'

mc K

c m c

p mc

E

mc p

c v

−

=

+

=

=

= −

=

=

→

→

→ →

γ γ

γ β γ

β

β

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Cinematica relativistica Cinematica relativistica

L’energia e l’impulso di una particella formano un quadrivettore p = (E,p).

L’ energia E* e l’impulso p* di una particella massa m viste da un sistema di riferimento con velocità β sono:

T

T

p

p p E p

E ⎟⎟ ⎠ =

⎜⎜ ⎞

⎝

⎟⎟ ⎛

⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛

−

= −

⎟⎟ ⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛

//

* //

*

; γ

γβ

γβ

γ

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Cinematica relativistica Cinematica relativistica

) cos(

1 ( 2

) (

)

( ₁ + ₂ ² − ₁ + ₂ ² = ₁² + ₂² + _{1 2} − β₁β ₂ ϑ

=

= E E E m m E E

s _cm p p

In una collisione di 2 particelle di massa m

ed m

l’energia totale nel c.m. e’

espressa dall’invariante di Lorentz:

Dove θ è l’angolo formato fra le due particelle.

Nel sistema in cui m

è ferma (sistema del laboratorio) avremo:

( ¹ )

2

2

12 2 1 2

2 2

1

+ + ≅ >>

=

= E

m m E m

E m γ

s

Le variabili del laboratorio rispetto al c.m. sono:

cm lab

cm lab

cm lab

E

m E

m E

p

⎟⎠

⎜ ⎞

⎝⎛

= +

= +

2 1

1

γ

β

cm lab

cm

E

m

p = p

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Particelle ed Interazioni Particelle ed Interazioni

La fisica subnucleare studia i costituenti della materia ( partoni e leptoni) e cerca di capire le interazioni cui sono soggetti Æ

‰ ‰ Interazioni forti Interazioni forti (forza relativa a ~10 (forza relativa a ~10

cm ~1 ) cm ~1 )

‰ ‰ Interazioni e.m. Interazioni e.m. ( ( “ “ “ “ ~10 ~10

) )

‰ ‰ Interazioni deboli Interazioni deboli ( ( “ “ “ “ ~10 ~10

) )

‰ ‰ Interazioni gravitazionali Interazioni gravitazionali ( ( “ “ “ “ ~10 ~10

) )

• La forza gravitazionale è irrilevante in quanto m_p= 938 MeV = 1.67x10^-27 kg. È comunque a lungo raggio.

• La forza debole(responsabile dei decadimenti radioattivi e delle interazioni di neutrini è poco utile per i rivelatori. È a corto raggio.

• La forza forteè quella che tiene assieme i protoni (e neutroni) nel nucleo. È utilizzata solo nei Calorimetri Adronici. Anche questa forza è a corto raggio.

• La forza e.m., non è altro che la forza coulombiana. È a lungo raggio e quindi, nel caso di particelle cariche domina a grandi distanze fino a ~ 1 f ( a piccole distanze domina la forza forte).

Quest’ ultima

Quest’ ultima è è fondamentale per i rivelatoriÆ fondamentale per i rivelatori Æ Interazione Radiazione Materia Interazione Radiazione Materia dominata da processi

dominata da processi e.m. e.m.

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Le particelle possono essere classificate tramite le forze cui sono soggette.

• I leptoni leptoni ( ( μ, μ, e e , ν , ν ) ) non non sono soggetti alla forza forte forte. Non hanno struttura interna Æ sono puntiformi.

• Gli adroni adroni sentono la forza forte forte e sono suddivisi in barioni (spin barioni

semintero) e mesoni mesoni (spin intero). Gli adroni hanno una struttura interna (quark).

• Ogni particella ha la sua antiparticella con la stessa massa e spin, ma carica ed altri numeri quantici interni opposti.

• Esistono anche i Bosoni di Gauge Bosoni di Gauge (mediatori delle interazioni). Hanno spin intero.

– – Interazione e.m. Interazione e.m. γ γ – – Interazione forte Interazione forte g g

– – Interazione debole Interazione debole Z Z

,W ,W

Particelle ed Interazioni

Particelle ed Interazioni

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Particelle ed interazioni Particelle ed interazioni

La ricerca sperimentale studia La ricerca sperimentale studia:

• Diffusione di particelle Æ sezione d sezione d ’urto ’ urto

• Spettroscopia e decadimenti Æ vita media vita media

• Produzione di particelle Æ sezione d sezione d ’urto ’ urto Vita media:

Vita media: τ τ

Se la particella instabile si muove il percorso che farà prima di morire è:

Il numero di particelle che decadono in dxè proporzionale al numero di particelle N(x) che si hanno ad x ed al percorso dx.

Æ Distribuzione esponenziale con pendenzaλ_d(lunghezza di decadimento)

τ τ

γβ

λ

mc c p

d ⎟

⎠

⎜ ⎞

⎝

=⎛

=

d

x

d

e N x

dx N x N x

dN

λ

=

⇒

⋅

−

= ( ) ( )

)

(

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Particelle ed interazioni Particelle ed interazioni

Sezione d’urto σ.

La σσè usata per esprimere la probabilità di interazione fra particelle elementari.

• Se giocamo al tiro al bersaglio, il parametro che ci interessa è la dimensione del bersaglio (targhetta) ovvero l’area che il fascio di freccette vede.

• Analogamente se spariamo un fascio di elettroni in un bidone di idrogeno (che non è altro che un insieme di protoni) il parametro che ci interessa è la dimensione del protone, ovvero l’area che il protone mostra al fascio incidente.Però il protone non ha una sezione ben definita, ma più vicino ci andiamo maggiore è la probabilità d’interazione. Inoltre la sezione d’urto dipende dalla natura del proiettile oltre che dalla struttura del bergaglio. Gli elettroni sono diffusi più dei neutrini e meno dei protoni (interazioni diverse).

–– Sezione d’urto elastica ( Se l’energia è bassa avremo solo e+pÆe+p ) Sezione d’urto elastica ( )

–– Sezione d’urto anelasticaSezione d’urto anelastica ( Se l’energia è sufficiente possiamo avere e+pÆe+p+γ( o anche e+pÆe+p+π etc ) )

Ipotesi semplicistica σ ∝1/v ( più a lungo sto vicino al protone più alta è la probabilità d’interazione), ma risonanze (stato quasi legato) e σ più grande.

Dimensioni area. Unità di misura 1 barn (b) =10^-24 cm² Per impulso nel lab. di 10 GeV/c si ha:

σ σ t t ( π ( π

p p ) ~ 25 mb ) ~ 25 mb (forte) (forte)

σ σ t ( γ t ( γp ) ~ 100 p ) ~ 100 μ μb b (e.m ( e.m .) .)

σ σ t t ( ν ( ν p p ) ~ 0.1 ) ~ 0.1 pb pb (debole) (debole)

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Sezioni d’urto Sezioni d’urto

Per avere la σ

si integra su tutto l’angolo solido .

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Sezione d’urto Sezione d’urto

• • Esempio numerico: Esempio numerico: π π

p p Æ Æ π π

n n

– 10

particelle incidenti a burst ( impulso dell’acceleratore) – 1 burst ogni 10 s

– 8 giorni di presa dati

– Targhetta di Be (ρ =1.8 gr/cm

) l=10 cm – Dati raccolti 7.49x10

σ

=(N

/N

)x(1/n

) (N

=7.49x10

N

=69120x10

n

= ρlN

(Z/A) (numero di protoni nella targhetta)

σ σ

= (7.49x10 = (7.49x10

)/(69120x10 )/(69120x10

x48.18x10 x48.18x10

)~2.25x10 )~2 .25x10

cm cm

=22.5 =22 .5 mb mb

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Sezione d’urto

Sezione d’urto