Rivelatori di particelle a LHC. Terza parte: unire i puntini lasciati da particelle cariche

Come promesso, iniziamo dunque dai prodotti di decadimento carichi.

Elettroni, muoni, protoni, pioni e tutta un'altra pletora di adroni (e le loro antiparticelle) sono particelle elettricamente cariche. Ovvero, una delle loro caratteristiche quella di avere una carica elettrica. Normalmente misuriamo la carica elettrica in multiplo della carica dell'elettrone: l'elettrone ha allora carica -1 (perché convenzionalmente l'elettrone ha carica negativa); la sua antiparticella, il positrone, ha carica +1, esattamente come il protone; il muone -1 come l'elettrone, l'antimuone +1; ci sono pioni con carica positiva e con carica negativa, e altri adroni carichi.

Il fatto che certe particelle abbiano carica elettrica ci permette di fare due cose. Intanto, approfittiamo del fatto che una particella dotata di carica elettrica tende a ionizzare la materia che attraversa: quando una particella carica passa attraverso un materiale, tende più o meno facilmente a scalzare dalle loro placide orbite alcuni degli elettroni degli atomi di questo materiale. Con gli accorgimenti opportuni, questi elettroni scalzati dal passaggio della particella carica possono essere raccolti, e trasformarli in un segnale elettrico da trattare e misurare. Sfruttando questo principio costruiamo dei rivelatori segmentati in tanti piccole piastrelline sensibili, che si "accendano" se attraversate da una particella carica. La forma e la dimensione delle piastrelline sensibili, e la tecnologia su cui si basa il loro "accendersi" al passaggio di una particella carica, possono essere veramente diverse (per esempio: a volte si usano pixel in silicio, proprio come nei sensori della macchine fotografiche digitali; altre volte tubicini con del gas dentro; o altro ancora), ma i dettagli tecnici non sono essenziali per quello che vogliamo discutere qui. Quello che è importante è che possiamo piazzare una serie consecutiva di strati di questo tipo di rivelatori intorno al punto in collisione dei fasci: le particelle cariche prodotte nella collisione attraverseranno questi strati accendendo qualche piastrellina in ogni strato. Con una procedura analoga al gioco di "unisci i puntini" (solo più complessa, perché non ci sono i numerini, e bisogna provare la combinazione più sensata: scriviamo programmi di computer che sono particolarmente efficaci in questo compito) dalle piastrelle accese possiamo risalire a una serie di tracce per ogni collisione. La parte di un rivelatore che si occupa di questa operazione si chiama in gergo tracciatore (tracker).

La misura della traccia associata al passaggio di una particella carica è una cosa buona, ma sa sola non ci dice molto. Si trattava di una particella con carica positiva o negativa? Qual era la sua velocità (o meglio, il suo momento)? Queste informazioni aggiuntive si possono ottenere sfruttando la ben nota legge di Lorentz, che magari ricordate dalle scuole superiori: un particella carica che si muova in un campo magnetico subisce una forza perpendicolare alla direzione del moto che la spinge a curvare. Il verso della curvatura dipende dalla carica della particella (dunque opposto per cariche opposte), l'entità della curvatura dalla velocità della particella. Se immergiamo dunque il tracciatore in un campo magnetico, le tracce della particelle cariche non saranno più diritte ma curve, e misurandone il senso e il raggio di curvatura possiamo risalire al segno della carica (positiva o negativa) e alla velocità della particella. Per questo un tracciatore associato a un campo magnetico viene chiamato anche spettrometro (nel senso che misura lo spettro delle energie delle diverse particelle che vede). Nella figura qui sotto le linee del campo magnetico (che di solito viene indicato con la lettera B) sono perpendicolari allo schermo, dunque, se considerate un rivelatore cilindrico, parallele alla linee dei fasci.

Ogni esperimento di fisica delle particelle agli acceleratori ha solitamente due spettrometri. Un primo tracciatore centrale, messo molto vicino alla linea del fascio, per misurare tutte le tracce che emergono dal punto di collisione, e magari anche la presenza di tracce che non provengono dall'interazione principale (a LHC, lo scontro tra i due protoni), ma dal decadimento secondario di una particella che che è sopravvissuta abbastanza da allontanarsi dal punto di collisione. E un secondo tracciatore, messo come guscio esterno del rivelatore, dedicato a misurare le tracce dei muoni, i quali, interagendo molto poco, normalmente attraversano tutto il resto del rivelatore senza fermarsi. Normalmente questo si chiama in gergo spettrometro per muoni.

Al prossimo giro vi mostro come sono fatti i tracciatori centrali e gli spettrometri a muoni di ATLAS e CMS, e i loro rispettivi campi magnetici.

(continua)

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20 Commenti

  1. Ettore
    Pubblicato il 18 luglio 2011 alle 16:15 | Permalink

    Mi sa che curvare le particelle è proprio una bella " furbata " perchè permette anche di far fare più strada a quelle particelle e quindi aumentarne il tempo di permanenza all'interno del rivelatore.

  2. Pubblicato il 18 luglio 2011 alle 16:31 | Permalink

    @Ettore: mmm, no, mica tanto. Tieni conto che parliamo di norma di particelle che si muovono in regime relativistico, e in sostanza viaggiano tutte, chi più chi meno, a quasi la velocità della luce. Un poco di curvatura (nei miei disegni è decisamente esagerata) non ne altera sostanzialmente la permanenza nel rivelatore. A meno che non siano veramente di bassissima energia, nel qual caso potrebbero mettersi a spiraleggiare senza mai raggiungere lo strato di rivelatori successivi. Ma quelle sono le particelle meno interessanti da misurare.

  3. Ettore
    Pubblicato il 18 luglio 2011 alle 17:25 | Permalink

    Pensavo che hai fini del decadimento di alcune particelle, riuscire a farle stare anche poco di più all'interno potesse tornare utile a fini della rilevazione delle stesse... ma in effetti, a quelle velocità e dimensioni del rivelatore cambia decisamente poco...

  4. Pubblicato il 18 luglio 2011 alle 17:35 | Permalink

    Riuscire a identificare un vertice di decadimento secondario è essenziale, ma per quello contano appunto solo le dimensioni del rivelatore, non tanto il campo magnetico. Siccome la vita media delle particelle che guardiamo è veramente molto breve, il punto è piuttosto riuscire a mettere i rivelatori il più vicino possibile al punto di interazione, perché questi vertici di decadimento secondari non saranno molto lontano!

  5. Tommybond
    Pubblicato il 19 luglio 2011 alle 07:59 | Permalink

    @Marco : Hai scritto che il muone ha carica elettrica +1! Corri subito a sistemare il segno 🙂

  6. Pubblicato il 19 luglio 2011 alle 08:38 | Permalink

    @Tommybond. Auch! Corretto 🙂

  7. juhan
    Pubblicato il 19 luglio 2011 alle 12:15 | Permalink

    Le particelle si muovono nel piano ortogonale all'asse del flusso o c'è anche una componente parallela? Inoltre, magari l'hai già detto ma sai com'è, qual'è la frequenza di questi eventi (interessanti e rumore (esistono, immagino, particelle troll))?

  8. Tommybond
    Pubblicato il 19 luglio 2011 alle 12:18 | Permalink

    @Marco : Sei proprio un mago!:-) In mezzora hai cambiato i connotati ad una particella!Che poteri! 🙂
    Quanto dobbiamo attendere per veder "sfornata" la quarta parte?

  9. Pubblicato il 19 luglio 2011 alle 12:32 | Permalink

    @Juan: le particelle si hanno anche una componente parallela alle linee di fascio. Se il campo magnetico è messo come lo ho disegnato lassù (non è l'unica possibilità, ma una delle più frequentemente utilizzate), influirà solo curvando la componente perpendicolare alla linea di fascio. Il risultato sarà la combinazione delle due (vedi per esempio l'event display del post precedente). Nello specifico dei collisionatori adronici, di fatto ti interessa misurare solo la componente trasversale, perché è l'unica che si conserva (la somma deve essere nulla, perché inizialmente i fasci non ne hanno), ma questa è un'altra storia che magari affronteremo più avanti.

  10. Pubblicato il 19 luglio 2011 alle 12:32 | Permalink

    @Tommybond: spero prima della fine della settimana.

  11. Tommybond
    Pubblicato il 19 luglio 2011 alle 13:47 | Permalink

    @Marco : Allora è proprio vero che hai i super poteri! Pubblichi articoli molto frequentemente per i tuoi standard, modifichi le grandezze naturali che la natura ha "regalato" ad ogni particella con la sola forza del pensiero..ops della tastiera 🙂
    Continua cosi!!!

  12. Tommybond
    Pubblicato il 19 luglio 2011 alle 13:50 | Permalink

    @Marco : Dimenticavo! Modifica l'orologio interno del sito perchè segna un'ora in meno!Oppure è sincronizzata con Londra?

  13. Pubblicato il 19 luglio 2011 alle 14:53 | Permalink

    @Tommybond: WP gestisce molto male l'ora legale. Dovrebbe essere a posto adesso, ma dovrò rimetterlo a posto a mano in Ottobre.

  14. Tamerlano
    Pubblicato il 20 luglio 2011 alle 23:53 | Permalink

    Bel post, molto chiaro anche ai non addetti ai lavori.

    Ne approfitto per chiedere lumi sul significato di questa frase apparsa sul LHC Italia:

    "I risultati più recenti escludono che il bosone di Higgs abbia una massa inferiore ai 500 GeV ma superiore ai 150 GeV"

    Sara' l'ora tarda ma...che significa? Se il bosone non puo' avere massa inferiore a 500GeV mi pare evidente che debba essere superiore a 150 Gev.

    Cosa non quadra?
    Grazie
    Tamerlano

  15. Pubblicato il 21 luglio 2011 alle 09:50 | Permalink

    @Tamerlano: spiace parlare male di colleghi, ma obiettivamente i post di LHC Italia sono scritti con i piedi. La parafrasi di quello che Tonelli deve aver detto vuol dire che i dati di LHC (nel suo caso, quelli di CMS. Per ATLAS non mi pronuncio, perché siamo ancora in embargo pre EPS-HEP) permettono già di escludere l'esistenza di un bosone di Higgs del Modello Standard con massa compresa tra 150 e 500 GeV. Chiaramente si poteva scrivere meglio, ma forse loro stessi non hanno capito 🙂

  16. Tamerlano
    Pubblicato il 21 luglio 2011 alle 18:43 | Permalink

    Adesso mi è più chiaro! 🙂

    Avanti così!
    Tamerlano

  17. Daniele
    Pubblicato il 28 luglio 2011 alle 17:00 | Permalink

    Una domanda cretina: ma se di una particella scopriamo velocità e traiettoria poi non sappiamo un po' troppo? (tipo principio di indeterminazione ecc.) Se piazzassimo dei rilevatori in un esperimento come quello della doppia fenditura perturberemmo il sistema, per cui la figura di interferenza non si formerebbe. La domanda in definitiva è: quali sono i principi per cui gli scienziati sono sicuri che quello che stanno misurando non è perturbato dai rilevatori? Che ne è dei bizzari fenomeni quantistici? Grazie mille, un abbraccio

  18. Pubblicato il 28 luglio 2011 alle 17:09 | Permalink

    @Daniele: non esistono domande cretine, solo risposte cretine 🙂 Con i tracciatori misuriamo traiettoria e momento delle particelle cariche con una precisione finita, ovvero con un'incertezza legata alla risoluzione dell'apparato e alle procedure di misura e i loro errori sistematici. Queste incertezze (o precisioni delle misure, se preferisci) sono abbondantemente più grandi delle incertezze legate al principio di indeterminazione. Detto questo, è chiaro che ogni misura perturba l'oggetto che misuriamo (altrimenti non misureremmo un bel niente): la cosa sarà ancora più flagrante appena parleremo di calorimetri!

  19. david
    Pubblicato il 29 luglio 2011 alle 09:06 | Permalink

    ma è vero che per alcuni studi sarebbero migliori le vecchie camere a bolle?

  20. Pubblicato il 18 agosto 2011 alle 08:52 | Permalink

    @David: al botta ti risponderei "no!", però la tua domanda è troppo generica perché possa essere così categorico: quali sarebbero questi studi? In ogni caso, anche se la risoluzione spaziale delle camere a bolle si rivelasse migliori, i cicli di refresh sarebbero comunque troppo lunghi per funzionare al ritmo delle collisioni di LHC. E poi, ammesso fosse possibile farle, chi guarderebbe tutte le fotografie?

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  • Mi chiamo Marco Delmastro, sono un fisico delle particelle che lavora all'esperimento ATLAS al CERN di Ginevra.

    Su Borborigmi di un fisico renitente divago di vita all'estero lontani dall'Italia, fisica delle particelle e divulgazione scientifica, ricerca fondamentale, tecnologia e comunicazione nel mondo digitale, educazione, militanza quotidiana e altre amenità.

    Ho scritto un libro, Particelle familiari, che prova a raccontare cosa faccio di mestiere, e perché.

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