Corso di Rivelatori di Particelle Lezione 1 10/3/14 a.a. 2013-‐2014 Emanuele Fiandrini 1 Il corso •  42 ore, 21 lezioni. •  Orario: –  Lunedì 15.30-‐17.30, aula D –  Mercoledì 15.30-‐17.30, aula D •  Le lezioni in pdf sono diponibili all'indirizzo: •  http://ams.pg.infn.it/~emanuele/ rivelatori1314, •  tipicamente uno o due gg. dopo la lezione 2 Ricevimento studenti •  Disponibile in qualunque momento, meglio se su appuntamento •  e-‐mail: [email protected] 3 PROGRAMMA (di massima) •  Introduzione •  Cenni su acceleratori di particelle e fasci estratti •  Interazione delle particelle con la materia –  –  –  –  –  –  Perdita di energia per ionizzazione Scattering multiplo Lunghezza di interazione Sciami elettromagnetici e adronici Radiazione Cerenkov e di transizione rinculo nucleare, ... •  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. •  Detector systems: integrazione/combinazione di rivelatori (à Apparati sperimentali) –  CMS, AMS, NA62,... •  Radiazioni ionizzanti: dosimetria, radioprotezione ed applicazioni mediche 4 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 •  Radiation Detection and Measurement, 3rd ed -‐ Glenn F. Knoll (Wiley, 2000) 5 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 6 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 7 Qual'e' il rivelatore più familiare ? L occhio umano è un rivelatore di particelle: i fotoni q  q  q  q  di particelle di "test" fascio di luce bersaglio rivelatore elaborazione dati che diffonde 8 Il piu vecchio rivelatore (di fotoni)…costruito miliardi di volte •  Alta sensibilità ai fotoni in un ben definito intervallo di frequenza •  Buona risoluzione spaziale •  Ottica adattativa di focalizzazione dei fotoni •  Range dinamico molto largo (1:1014) + adattamento automatico della soglia •  Discriminazione in energia (lunghezza d onda) •  Piuttosto lento (velocità di acquisizione +analisi ~10 Hz) 9 Altri modi per vedere ? Es.: per sottrazione Es.: infrarossi 10 Emissione di radiazione elettromagnetica da un corpo Alla temperatura di 37 gradi centigradi (circa 310 gradi kelvin) l emissione è concentrata nell infrarosso 11 Multiwavelength vision must be used to see different components of the galaxy 12 ... altri modi per vedere Ultrasuoni Luce energetica (raggi X) Perché si usano i raggi X e gli ultrasuoni e non la luce ed il suono normali per 13 illuminare ? Lastre fotografiche Use of photographic paper as detector ➠ Detection of photons / x-‐rays W. C. Röntgen, 1895 Discovery of the X-‐Strahlen Photographic paper/film e.g. AgBr / AgCl AgBr + energy ➠ metallic Ag (blackening) + Very good spatial resolution + Good dynamic range -‐ No online recording -‐ No time resolution 14 Tubo a raggi catodici J. Plücker 1858 ➠ J.J. Thomson 1897 luce di fosforescenza rivela il punto di impatto accelerator manipulation By E or B field detector From: J.J. Thomson: Cathode Rays. Philosophical Magazine, 44, 293 (1897). … The rays from the cathode C pass through a slit in the anode A, which is a metal plug fitting tightly into the tube and connected with the earth; after passing through a second slit in another earth-‐connected metal plug B, they travel between two parallel aluminium plates about 5 cm. long by 2 broad and at a distance of 1.5 cm. apart; they then fall on the end of the tube and produce a narrow well-‐defined phosphorescent patch. A scale pasted on the outside of the tube serves to measure the deflexion of this patch…. 15 Geiger-‐Muller Electrical signal reveals the passage of a charged particle 16 C. T. R. Wilson, 1912, Cloud chamber First tracking detector The general procedure was to allow water to evaporate in an enclosed container to the point of saturation and then lower the pressure, producing a super-‐ saturated volume of air. Then the passage of a charged particle would condense the vapor into tiny droplets, producing a visible trail marking the particle's path. 17 Noi vediamo la materia subatomica perché la colpiamo con particelle prodotte dagli acceleratori che diffondono o sono prodotte dalle interazioni e raggiungono i rivelatori 18 Per esempio dal modo in cui le particelle incidenti sono diffuse riusciamo a capire molte caratteristiche delle particelle bersaglio 19 Ernest Rutherford 1909 20 Cos'e' un rivelatore di particelle? Nella fisica sperimentale, un rivelatore di particelle o rivelatore di radiazione è uno strumento usato per rivelare, tracciare e identificare particelle. (Wikipedia) elettronica di lettura area attiva I rivelatori di particelle sono dispositivi che producono un segnale osservabile quando vengono attraversati da una particella. Sono solitamente costituiti da un elemento attivo (con cui interagisce la particella) e da un sistema di lettura (che forma il segnale e lo invia all acquisizione dati) 21 Cos'e' un rivelatore di particelle? Tutte le particelle, attraversando la materia, rilasciano una parte della loro energia. –  Particelle cariche: urti anelastici con gli elettroni degli atomi che incontrano; –  Tutti gli adroni (carichi e neutri) per reazioni nucleari con i nuclei che incontrano; –  Elettroni emettono luce frenando –  Fotoni possono essere diffusi elasticamente o meno (ie Thomson/Compton), creare coppie e+ e-‐ 22 Cos'e' un rivelatore di particelle? •  Alla base di tutti i rivelatori c è il principio di convertire l'energia rilasciata nella parte attiva del dispositivo in segnali concreti da rivelare . •  Tecniche diverse a seconda del tipo di particella da rivelare, dell'intervallo di energia, di velocita', del rate di particelle. •  Ad esempio un rivelatore di fotoni deve essere necessariamente diverso da un rivelatore di muoni. •  Il "segnale" (in forma, intensita', distribuzione spaziale e temporale) dipende da qualche parametro cinematico o dinamico della particella (eg energia, velocita', momento lineare, carica,...) che si vuole misurare. 23 Cos'e' un rivelatore di particelle Principio di funzionamento generale di un rivelatore: particella di energia E → trasferimento di energia f E (f ≤ 1) al rivelatore → conversione in forma d energia accessibile (luce, corrente, tensione, calore,...) Rivelatori moderni sono essenzialmente elettrici (ma non solo): f E convertita in impulsi elettrici → necessaria elettronica per il trattamento del segnale elettronica E fE segnale analogico uscita digitale 24 •  Tipicamente in esperimenti che coinvolgono particelle si studiano le interazioni –  per mezzo di urti di particelle su altre particelle –  per mezzo di prodotti di decadimento di particelle instabili (eg decadimenti radioattivi)   I risultati di queste interazioni sono   variazione della direzione di volo/ dell'energia/ del momento delle particelle originali (eg e+e-‐àe+e-‐ Bhabha)   produzione di nuove particelle (e+e-‐ à qq-‐bar à adronizzazione) Le particelle con vita media abbastanza lunga raggiungono i rivelatori 25 dove vengono identificate, tracciate, contate