Rivelatori di particelle a LHC. Settima parte: sciami da adroni.

Come accennavo un paio di puntate fa, i calorimetri elettromagnetici sono perfetti per misurare energia e posizione di elettroni e fotoni, ma per fare la stessa cosa per gli adroni (ovvero, per particelle come protoni, neutroni, pioni, kaoni, ...) è necessario equipaggiare il proprio rivelatore di calorimetri dedicati, chiamati appunto calorimetri adronici. Perché?

La ragione fondamentale è che un adrone (per ragioni che non spiegherò qui) ha molte più possibilità di interagire con la materia che attraversa che un elettrone o un fotone. Può per esempio, se è carico, strappare gli elettroni degli atomi del materiale in modo analogo a un elettrone. Allo stesso tempo però può anche interagire con il nucleo degli atomi, perdendo energia attraverso un qualche tipo fenomeno di eccitazione nucleare. Come se non bastasse, un adrone può anche decadere in volo. Nella maggior parte dei casi, si disintegrerà in un'insieme di altri adroni, accompagnati da muoni e neutrini: questi ultimi sono una rogna dal punto di vista della rivelazione, perché non rilasciano abbastanza (i muoni) o nessuna (i neutrini) energia nei calorimetri. Infine, una certa frazione di adroni (un pione ogni tre) è elettricamente neutra, e in questo caso decade in coppie di fotoni, che a loro volta inducono gli sciami elettromagnetici di cui abbiamo parlato. Viste tutte queste possibilità, potere ben immaginare che uno sciame adronico si sviluppa in modo molto più complicato che uno sciame elettromagnetico. In generale, a parità di energia della particella iniziale, ha una dimensione molto maggiore. La sua forma laterale e longitudinale può cambiare molto, a seconda di quali dei possibili processi avvengono. Infine, c'è praticamente sempre una frazione dell'energia della particelle iniziale che diventa invisibile, perché viene portata via da neutrini prodotti nei decadimenti.

Per queste ragioni, un calorimetro adronico non è mai un calorimetro omogeneo, ma è sempre un calorimetro a campionamento, dove al materiale attivo che produce un segnale al passaggio delle particelle cariche è associato un materiale passivo pesante per far sviluppare lo sciame in fretta e, se possibile, in dimensioni non troppo elevate.

Per questo lavoro, ATLAS ha scelto due tecnologie diverse: nella parte centrale, usa come materiale attivo delle tegole di materiale scintillante, che producono luce al passaggio delle particelle cariche nello sciame. Nelle parti esterne, la stessa tecnologia a base di Argon liquido usata per il calorimetro elettromagnetico è utilizzata, mentre il piombo usato come materiale passivo è sostituito da rame e tungsteno.

Una tegola scintillante del calorimetro adronico di ATLAS

CMS usa dappertutto un'alternanza di tegole scintillanti e di pesanti sbarre assorbitrici, composte principalmente  di ottone per garantirne allo stesso tempo la giusta pesantezza, e la robustezza meccanica. Alcune delle sbarre assorbitrici di ottone di CMS hanno una storia interessante. Le parti esterne di questo rivelatore sono state costruite in Russia, dove a suo tempo non era facile trovare dell'ottone con l'altissima qualità richiesta. Dopo una certo numero di studi, venne fuori che l'ottone migliore accessibile in Russia era... quello usato cinquant'anni prima per i proiettili dei cannoni usati dalla marina negli anni '40. Che ci crediate o meno, più di un milione di proiettili di ottone russi risalenti alla Seconda Guerra Mondiale sono stati fusi per costruire il calorimetro adronico di CMS!

Make particle physics, not war!

Qui sotto vedete uno schema di ATLAS simile a quello che vi avevo già mostrato, ma in questo caso ho aggiunto il calorimetro adronico, e un protone e un neutrone. Il protone, che è elettricamente carico, lascia una traccia nel tracciatore centrale e un po' di energia nel calorimetro elettromagnetico, per poi indurre uno sciame nel calorimetro adronico. Il neutrone invece, passa inosservato attraverso i primi rivelatori, per mostrarsi solo nel calorimetro adronico: un buon sistema per distinguerli, in modo analogo a quello usato per separare gli elettroni dai fotoni.

Gli adroni da soli sono interessanti solo fino a un certo punto: a noi interessa poter misurare i quark, dai quali gli adroni sono composti, e che non è possibile osservare da soli. Perché? E allora, come facciamo? Ve lo racconto nella prossima puntata.

(continua)

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10 Commenti

  1. Pubblicato il 23 giugno 2012 alle 15:09 | Permalink

    Il fatto che non ci siano commenti non implica che i tuoi assidui lettori non abbiano apprezzato il post. Io ad esempio l'ho apprezzato molto, come apprezzo tutti i post, in special modo quelli divulgativi (anche quelli per daf daf :-).

  2. unit
    Pubblicato il 24 giugno 2012 alle 22:14 | Permalink

    Mi unisco all'apprezzamento. Una domanda: il flusso di adroni è sufficiente per danneggiare delle parti del rilevatore, come avviene ad esempio per i rivestimenti del combustibile in un reattore? Dovrei fare due conti ma faccio prima a chiederlo :). Se sì quanto spesso bisogna cambiare dei pezzi (di materiale passivo, immagino)?

  3. Pubblicato il 24 giugno 2012 alle 22:19 | Permalink

    @Unit: no, i flussi tipici non danneggiano in modo evidenti questo genere di rivelatori nella durata di vita tipica degli esperimenti. Quello che succede è che alla lunga, specie per i calorimetri "forward" che stanno vicino al tubo del fascio, nel tempo si becchino una dose tale da attivare il materiale passivo ed essere belli radioattivi. Il che non genera problemi durante la presa dati, ma impone certe attenzioni durante gli accessi, e sopratutto in fase di dismissione degli esperimenti.

  4. unit
    Pubblicato il 25 giugno 2012 alle 12:30 | Permalink

    Grazie per la risposta. La radioattività non crea problemi durante la presa dati perchè i segnali generati dalla radioattività sono marcatamente distinguibili (per energia, immagino) da quelli "veri" di LHC? Ci sono dei filtri sw di qualche tipo? E se un nucleo decade "sovrapponendosi" allo sciame di un adrone che arriva da un evento come la distingui la componente dovuta al decadimento da un componente vero dello sciame?

    Scusa se esagero con le domande, se scoccio dimmelo pure 🙂

  5. Pubblicato il 25 giugno 2012 alle 13:14 | Permalink

    @Unit: le energie tipiche dei prodotti di disintegrazione radioattiva sono molto piccole rispetto a quelle delle particelle che vogliamo misurare, per cui da sole non creano problemi (quasi mai). Al limite, possono creare dei problemi all'efficienza del rivelatore, per esempio opacizzando i cristalli e diminuendone la risposta, e questo si che va tenuto in conto.

  6. marco prosperi
    Pubblicato il 27 giugno 2012 alle 10:21 | Permalink

    proiettili?????
    BOSSOLI!!!!

  7. Pubblicato il 27 giugno 2012 alle 10:27 | Permalink

    In effetti sono stato molto incerto mentre traducevo, ma alla fine, dopo un po' di ricerche, mi sono convinto che "proiettile" rendesse meglio: questi erano cannoni navali, non pistole o fucili, e per i cannoni il concetto di "bossolo" non va troppo bene. In particolare, mi ha convinto questo. Ma anche la sezione "cannoni navali" di questo parla esplicitamente di proiettili.

  8. marco prosperi
    Pubblicato il 27 giugno 2012 alle 11:10 | Permalink

    non bronzo ma ottone!!!!
    poi smetto di romperti con questa mia baggianata! complimenti e grazie

  9. Pubblicato il 27 giugno 2012 alle 11:36 | Permalink

    Corretto, grazie.

  10. Amedeo
    Pubblicato il 27 giugno 2012 alle 13:36 | Permalink

    Sulla questione della traduzione: "shell" è sì in italiano "granata" (cioè proiettile d'artiglieria) ma "shell casing", o "casing" tout court, è il bossolo. In questo caso, come è chiaro dall'articolo originale e dalle relative foto, si tratta di bossoli.

    P.S. Da qualche settimana, su segnalazione di un collega, "lurko" da queste parti. Complimenti per l'eccellente blog che, tra l'altro, mi consente di tenermi, in qualche modo, aggiornato sulle novità di un settore che non tratto più direttamente da dodici anni.

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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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