INTRODUZIONE ALLA FISICA DELLE PARTICELLE parte 2

Una breve introduzione
alla fisica
delle particelle elementari
Vito Di Benedetto
Sant'Angelo Dei Lombardi
Liceo Scientifico Tecnologico
8 Ottobre 2015
Come percepiamo il mondo?
sorgente
• fascio di luce
bersaglio
• bersaglio/apparato
• rivelatore
• elaborazione dei dati
rivelatore
Il nostro
rivelatore.
I fotoni sono le particelle elementari di cui è costituita la luce.
Noi vediamo un oggetto perché viene colpito da fotoni che poi
rimbalzano e vengono rivelati dal nostro occhio.
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Rivelatori
Una volta che abbiamo prodotto le particelle
cosa dobbiamo misurare?
●
• Posizione e direzione del moto
• Carica elettrica
• Energia
• Impulso
• Massa
• Tempi di vita
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“Impronta” delle particelle nel rivelatore
●TrDet:
particelle cariche
(momento).
[TPC – DCH]
●EMCal:
elettroni, positroni e
fotoni (energia).
[Scintillatori – Cristalli]
●HCal:
adroni carichi e neutri
(energia).
[Sampling Sci/Pb]
●Magnet:
curva le tracce
delle particelle cariche
(momento).
[Solenoide]
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Raccolta dei Dati
●Questa
fase è molto importante.
●Ogni componente del detector dà delle informazioni
che vanno analizzate in modo opportuno.
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Analisi dei Dati
Si organizzano
informazioni
ricostruite
“ricostruiscelel'oggetto”
generato
dalla
rivelatori.
collisionegrazie
delle ai
particelle
del fascio.
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Risultato dell'Analisi dei Dati (nella realtà)
Event Display
di una“particolari”
collisione di si
particelle:
Selezionando
eventi
possono
“rappresentazione
pittorica”
dei segnali
ottenere
informazioni
fondamentali
sulle
raccolti
dal rivelatore.
particelle
generate
dalle collisioni.
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Meno di 1 su 109 collisioni
potrebbe produrre un bosone di
Higgs, trovare un bosone di Higgs
ad LHC è più difficile che trovare
un ago in un pagliaio!!!
SSI 2006
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Elettronica di lettura
Per analizzare i segnali dei rivelatori si usa
una elettronica altamente specializzata. I
segnali vengono poi inviati a complessi
sistemi di acquisizione che li analizzano e li
memorizzano
Schede
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diVito
Front-End
Di Benedetto
Schede di acquisizione
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I dati raccolti vengono analizzati da
centinaia di computer (grid)
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Acceleratori di ieri, di oggi e di domani
Tevatron /
Acceleratore
tipo
fasci
luogo
Tevatron
circolare
pp
FNAL
Muon Collider circolare
μ+μ-
FNAL(?)
LEP
circolare
e+e-
CERN
LHC
circolare
pp
CERN
ILC
lineare
e+e-
Japan(?)
CLIC
lineare
e+e-
CERN(?)
VLHC
circolare
pp
CERN(?)
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LHC/LEP
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Caratteristiche peculiari degli acceleratori
Acceleratore
tipo
fasci
Tevatron
circolare
pp
Muon Collider circolare
μ+μTevatron /
LEP
circolare
e+e-
LHC
circolare
pp
ILC
lineare
e+e-
CLIC
lineare
e+e-
VLHC
circolare
pp
LHC/LEP
✗p (p)✗non
è una particella
elementare
⇒ nel
Particelle
cariche accelerate
(curvate)
Acceleratori
Acceleratori leptonici:
circolari:
adronici:
lineari:
4×r) in modo
l'energia
p (p) si distribuisce
“perdono”
✗del
Bremsstrahlung
un'energia
∝
1/(m
importante
negli
✔
I leptoni sono particelle elementari ⇒fascio
l'energia
✗
Devono
accelerare
le
particella
in
un
+
✔
Accelera le particelle
moltoad
attenuato
ogni orbita.“casuale”
(Bremsstrahlung).
trapassaggio.
iacceleratori
quark che locircolari
compongono.
e e,
✔Bremsstrahlung
Sono
del
fascioimmuni
è notadal
conBremsstrahlung.
grande precisione.
unico
+ (m
p ≃ 2000m
e ).
✔Usa
le particelle
più volte.
trascurabile
nel
caso
μ
μ “grande”
✗Le misure
✗
efficienti
affette una
daseuna
hanno
indeterminazione
un
✔Si possono effettuare misure di grande
✗Sono
Usa sono
lepiù
particelle
sola
volta.
(m ≃ 200m ).
precisione.
μ
e
intrinseca.
raggio ed usano
particelle
“pesanti”.
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ILC (International Linear Collider)
●
Collisionatore Lineare electrone-positrone;
●
Garantisce misure di alta precisione;
●
ILC consiste di due acceleratori lineari, ognuno lungo ~15 km, che si
Energia nel C.M. fino a
0.5 - 1 TeV;
●
●Requisiti
Calorimetrici: risoluzione in energia doppia rispetto a quella d
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ILC (International Linear Collider)
Schema di ILC
Uno dei rivelatori
proposti ad ILC
Un evento a 4 jets
“visto” dal rivelatore
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Muon Collider
●
Collisionatore Circolare muone-antimuone con diametro di ~2 km;
●
Garantisce misure di alta precisione(?);
Energia nel C.M. fino a
7 TeV;
●
●
I muoni hanno una vita media di ~2.2µs (µ → e υe υµ)
●
I muoni prima di essere usati per il fascio devono essere “termalizzati”
●
Gli e prodotti dal decadimento dei µ producono sciami di particelle che
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Muon Collider
Background nel MuC:
~108 particelle da cui
“distinguere” ~102
particelle di segnale.
Il rivelatore ha un cono
di tungsteno sulla linea
del fascio per attenuare
l'effetto del background.
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Muon Collider
Una volta rimosso il backgroun
Il background distorce la “visione” del rivelatore.
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T1015-ADRIANO (
A Dual-Readout Integrally
Active Non-segmented Option
)
Vetro ad alta densità.
Componente elementare.
Fibre: luce scintillazione.
Vetro: luce Cerenkov.
Preparazione di tre celle
prototipo da testare con
un fascio di particelle.
Inserimento del prototipo
nella “black box” per la
preparazione del test
con un fascio di particelle
nell'area sperimentale.
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Principio della calorimetria Multi-Readout
Scint signal w/o neutron component
Neutron component in the scint signal
Cerenkov signal
Reconstructed energy
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“Ciclo del progresso”
teorie
fisiche
tecnologie
& materiali
conoscenza /
progresso
esperimenti
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rivelatori
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Commenti finali
●Il
lavoro di un fisico richiede grande impegno e
tanta passione.
●Negli
ultimi 50 anni la fisica delle particelle ha
fatto grossi progressi.
●Il
Modello Standard spiega con grande
accuratezza un gran numero di osservazioni
sperimentali, ma ci sono indicazioni che ne
richiedono una estensione.
●Gli
acceleratori e i rivelatori odierni spingono
all'estremo la tecnologia (c'è bisogno di nuove
idee[?]).
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Grazie dell'attenzione!!!
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Backup slides
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The cast of quarks & leptons
Family
Quarks
Antiquarks
Q = +2/3
Q = -1/3
Q = -2/3
Q = +1/3
1
u
d
u
d
2
c
s
c
s
3
t
b
t
b
Family
Leptons
Antileptons
Q = -1
Q=0
Q = +1
Q=0
1
e-
e
e+
e
2




3




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Campi Materiali
1^ Famiglia
Campo
q/e
e
-1
0
5 x 10-4
< 3 x 10-9
2/3
-1/3
3 x 10-3
6.8 x 10-3
-1
0
0.106
< 1.9 x 10-4
2/3
-1/3
1.2
0.12
-1
0
1.78
< 18.2 x 10-3
2/3
-1/3
174.3
4.3
e
u
d

2^ Famiglia

c
s

3^ Famiglia

t
b
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m (GeV)
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Materia Oscura
•Sembra che l’Universo non sia
fatto della stessa materia
come il nostro Sole e le stelle
•La materia oscura esercita
una attrazione gravitazionale
sulla materia, ma non e’ stata
ancora rivelata.
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L’ Universo in accelerazione
•Esperimenti recenti che
utilizzano Supernovae di Tipo Ia
hanno mostrato che l’ Universo si
sta ancora espandendo e che il
rate di espansione sta
aumentando
•Questa accelerazione deve
essere guidata da un nuovo
meccanismo che e’ stato
chiamato energia oscura.
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Osservazione indiretta
●Il
peso di un sacco di paglia
è dell'ordine di 1 Kg.
●Il peso misurato è troppo
esagerato: 999 Kg!!!
●Probabilmente il sacco
contiene qualcos'altro di più
pesante della paglia.
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Paglia
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Particle Physics and its Questions
•Particle Physics: The study of the basic building blocks of matter and
the interactions between them
•Some questions that drive this research:
Are there fundamental constituents of matter in the
Universe?
If so, what are they and what are their properties?
What are forces and how are they transmitted?
What is mass?
What is anti-matter and where did it all go?
What does this tell us about the origins of the Universe
and its fate?
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The Standard Model
•What is it? The best theoretical framework we have for particle physics
today
•It has been a remarkable success BUT we know it is incomplete
•So, what does the phrase “STANDARD MODEL” mean?
A unification of all matter into two types of particles
A unification of the Electromagnetic and Weak Nuclear forces
A description of the interaction between fundamental particles
in terms of the exchange of fundamental force particles
•Some things it does not do:
It does not unify the Strong and Electro-Weak forces (GUTS?)
It ignores Gravity, so does not tell us anything about how it
might be unified with the other forces ( TOE ?)
It does not explain why there are so many generations of particles
It does not explain the disappearance of anti-matter in the Universe.
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