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Laboratori Nazionali Laboratori Nazionali di Frascatidi Frascati
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Istituto Nazionale di Fisica Istituto Nazionale di Fisica NucleareNucleare
Ente pubblico che promuove, coordina ed effettua la ricerca
scientifica nel campo della fisica subnucleare, nucleare ed
astroparticellare nonché la ricerca e lo sviluppo tecnologico necessari
alle attività in tali settori, in stretta collaborazione con l’Università e nel contesto della collaborazione e del
confronto internazionale
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Legnaro
Laboratori del Sud(Catania)
Gran Sasso
19 Sezioni 11 Gruppi collegati
4 Laboratori Nazionali
VIRGO-EGO European Gravitational Observatory
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NAUTILUSATLAS
Auditorium
ADA e ADONE
KLOEDANE
Centro diCalcolo
FISABTF
DANE-L
FINUDADEAR
Laboratori Nazionali di Frascati
Data di nascita: 1955
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Studi sulla struttura intima della materia
Ricerca di onde
gravitazionali
Elaborazione di modelli teorici
Sviluppo e costruzione di rivelatori di particelle
Studio e sviluppo di tecniche
acceleratriciStudi di materiali e ricerche biomediche con luce di sincrotrone
Attività dei LNF
Sviluppo e supporto di sistemi di calcolo e reti
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FISICA DELLE PARTICELLE ELEMENTARI
Di che cosa e’ fatto il mondo?
Quali sono le leggi fondamentali che lo regolano?
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N
N
P
N
P
P
ATOMO DI
LITIO
e-
e-
e-
orbitali interni
orbitale esterno~ 10 cm =
0.00000001 cm
-8
++ +
nucleo
~10 cm =
0.0000000000001 cm
-13
UNA PRIMA RISPOSTA: L’ ATOMO
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PROTONE E NEUTRONE NON SONO ELEMENTARI
P
U U
D
U
D
D
N
MA SONO FORMATI DA QUARK QUARK
UP CON CARICA +2/3
DOWN CON CARICA -1/3
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SONO STATE SCOPERTE CENTINAIA DI NUOVE PARTICELLE, PER LO PIU’INSTABILI
+ - e + - e
in circa 10 s-6
( INTERAZIONE DEBOLE)
0 in circa 10 s-16
( INTERAZIONE ELETTROMAGNETICA)
+ - 0 in circa 10 s-23
( INTERAZIONE FORTE)
Non possono essere tutte “elementari”!
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RELATIVITA’ + MECCANICA QUANTISTICA = ANTIMATERIA
PARTICELLA ANTIPARTICELLA
ELETTRONE POSITRONE
QUARK ANTIQUARK PROTONE ANTIPROTONE
-UU
U -D
-U
D
Q = +2/3 +2/3 -1/3 = +1 Q = -2/3 -2/3 +1/3 = -1
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IL MODELLO STANDARD LE PARTICELLE DI MATERIA
QUARKS
Q = +2/3 Up Charm Top Q = -1/3 Down Strange Bottom
LEPTONI
Q = -1 e
Q = 0
e
CON LE RELATIVE ANTIPARTICELLE
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IL MODELLO STANDARD
I VETTORI DELLE INTERAZIONI
INTERAZIONE ELETTROMAGNETICA
W+ W- Z0INTERAZIONE DEBOLE
g (8 tipi) INTERAZIONE FORTE
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I primi fasci di particelle per gli studi di fisica nucleare e subnucleare erano sorgenti naturali: particelle alfa, raggi
cosmici
La capacità di rompere le barriere elettrostatiche intorno ai nuclei
aumenta con l’energia: l’energia massima delle particelle alfa è solo 10
MeV.
I raggi cosmici, anche quando molto energetici, non sono prevedibili: servono
fasci di particelle ad alta energia e ripetibilità per studi sistematici
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ACCELERATORI DI PARTICELLE
I fisici hanno sviluppato tecniche per produrre in laboratorio ed accelerare fasci di particelle di vario tipo (elettroni, protoni, pioni ecc…) ad energie ed intensita’ sempre piu’ elevate
Un fascio di particelle che colpisce un bersaglio o collide con un altro fascio produce reazioni nucleari, annichilazioni e creazione di nuove particelle
L’acceleratore che visiterete oggi (DANE) e’ un collisionatore elettroni-positroni di energia non molto elevata ma di elevatissima intensita’
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Acceleratori nel mondo
Gli acceleratori usati per la ricerca pura sono costruiti ai limiti della tecnologia attuale e sono anch’essi ricerca tecnologica.
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DANE
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OSSERVARE LE PARTICELLE: I RIVELATORI
I rivelatori di particelle sono degli strumenti che permettono di misurare i segnali rilasciati al passaggio della particella in un mezzo. Esiste una grande quantità di rivelatori diversi, ognuno ottimizzato per effettuare delle misure specifiche. In generale i rivelatori vengono grossolanamente suddivisi in 3 grandi categorie:
contatori (frequenza)
traccianti (traiettoria,carica, momento)
calorimetri (energia, tempo di volo)
Combinando le informazioni di più rivelatori si ottengono informazioni più dettagliate come massa, velocità, tipo di particella
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Struttura di un “General purpose experiment”
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Calorimetro Pb-Fibre Scintillanti( barrel + endcap,spessore15 X0, ermetico 98 %)
Camera a derivaMiscela di He13K celle di drift
Ferro per chiusuralinee di campo
Bobina SuperConduttriceB = 5.188 kG
Regione di interazione:Calorimetri su quadrupoli,Al-Be beam-pipe sferica
IL RIVELATORE KLOE
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Decadimenti K+K– 49.1%KLKS 34.3% 15.4% 1.3%
(KS) = 6 mm ( = 90 ps)(KL) = 3.5 m ( =51.7 ns)
Cammini liberi medi
IL RIVELATORE KLOE
Attenzione dell’esperimento: decadimento dei K neutri
Grandi dimensioni del rivelatore!
Principali Modi di decadimento
KS π+π-
π0π0
KL π+π- π0 π0π0 π0
π±
π±e
π+π-
π0π0
Necessita’ di un tracciatore e di un calorimetro
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Esempio di KS KL
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Produzione di segnali Rivelatore
Selezione veloce segnali interessanti Trigger/Elettronica
Scrittura su nastro dei dati interessanti Sistema DAQ
Ricostruzione delle variabili fisiche Computing Offline degli eventi (impulsi, energie…)
Analisi fisica degli eventi Studente di Dottorato
DIAGRAMMA DI FLUSSO DI UN ESPERIMENTO
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IL FUTURO DELLA FISICA DELLE PARTICELLE
Sebbene il Modello Standard sia una teoria di gran successo, molti interrogativi rimangono ancora senza risposta
Perche’ il mondo e’ fatto di materia (e non di antimateria)?
Che cosa determina la massa dei quark dei leptoni e dei bosoni vettoriali?
Esistono principi di unificazione tra le varie interazioni fondamentali e che ruolo gioca la gravita’?
Che cosa e’ la Materia Oscura, di cui l’universo sembra essere permeato?