tracciatura e calorimetria per esperimenti di fisica delle alte … · 2014-01-12 · tracciatura e...
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Tracciatura e calorimetria per
esperimenti di fisica delle alte energie
e fisica medicae fisica medica
Carlo Civinini
INFN-Firenze
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Introduzione
• Misura delle proprietà di una particella carica tramite la visualizzazione della sua traiettoria
• Misura dell’energia di una particella, carica o neutra, tramite il suo completo assorbimento
• Applicazioni:• Applicazioni:
– Fisica delle alte energie
• Esperimenti a ‘collider’ � scoperta della particella di Higgs
– Fisica medica
• ‘Imaging’ con protoni � adroterapia
13/11/2013 2C. Civinini - INFN Firenze
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Particella carica in un campo
magnetico
• Un metodo sperimentale per la misura della velocità (o quantità di moto) di una particella elettricamente carica è di utilizzare la Forza di Lorentz che questa subisce quando attraversa un campo magnetico:un campo magnetico:
• F=qv˄B
• Se il campo è costante particella percorre una traiettoria ad elica con raggio proporzionale alla componente della velocità ortogonale a B e passo proporzionale alla componente parallela a B.
13/11/2013 3C. Civinini - INFN Firenze
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Moto in un campo magneticoRaggio:
R=mvt/qB=pt/qB
Passo:
L=vǁT=vǁ2πR/vt=
=2π mv /qB=
13/11/2013 4
=2π mvǁ/qB=
=2π pǁ/qB
L
R
Il raggio dell’elica
misura l’impulso
trasverso mentre il
passo l’impulso
longitudinale
C. Civinini - INFN Firenze
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Un esempio
In questo caso la
particella percorre
una spirale con il
raggio decrescente
perché questa
13/11/2013 5
perché questa
perde energia nel
liquido della
camera a bolle
C. Civinini - INFN Firenze
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Un altro...
Scoperta del positrone da
parte di C. Anderson nel
1932.
Dalla curvatura, dalla
direzione del campo
magnetico e dalla direzione
OUT
13/11/2013 6
magnetico e dalla direzione
del moto, si deduce che la
particella che lascia una
traccia nella camera a nebbia
ha una carica positiva.
La lastra intermedia è
fondamentale per capire la
direzione d’ingresso.IN
C. Civinini - INFN Firenze
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Misura della raggio di curvatura
RL/2
s
x
xα
x1
x2
s=x2-(x1+x3)/2
|s|=R-Rcosα~½Rα2=L2/8R=
L2qB/8pt
13/11/2013 7
s x
x
α
x3
x2 L2qB/8pt
pt=L2qB/8s
δpt/pt=δs/s=
=√96 σxpt/L2qB
C. Civinini - INFN Firenze
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Errore sulla misura della posizione
• Nella formula dell’errore sulla misura di pt si
vede che questo è proporzionale a σx
• Dobbiamo quindi ‘campionare’ i punti di
passaggio della particella tramite rivelatori di passaggio della particella tramite rivelatori di
posizione il più possibile precisi
• Nel caso in cui le misure di posizione sono N,
equidistanziate, l’errore diventa:
13/11/2013 8
δpt/pt=√720/(N+4) σxpt/L2qB
C. Civinini - INFN Firenze
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Contributo dello scattering multiplo
• Ma questa non è l’unica sorgente di errore
• Una particella carica che attraversa la materia
(rivelatori di posizione) subisce una serie
casuale di interazioni che alterano la direzione casuale di interazioni che alterano la direzione
originaria di un angolo che ha una
distribuzione gaussiana con una sigma di:
13/11/2013 9
θMS=13.6√L/X0/pcβ
δptMS/pt=θMS=13.6√L/X0/LqB
C. Civinini - INFN Firenze
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...ricapitolando
Si parte da un
errore costante e
si peggiora
sempre la
risoluzione via
13/11/2013 10
Chorus experiment CERN, 1994
sempre la
risoluzione via
via che l’impulso
aumenta
C. Civinini - INFN Firenze
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Rivelatori di posizione
• Devono essere precisi (piccola σx) e leggeri
(piccolo L/X0)
• I rivelatori a semiconduttore sono molto
precisi (σ ~10µm) e piuttosto leggeri (spessore precisi (σx~10µm) e piuttosto leggeri (spessore
del sensore ~300µm)
• Due tipi:
– Microstrip di Silicio
– Pixel di Silicio
13/11/2013 11C. Civinini - INFN Firenze
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Fuzionamento dei rivelatori a SIlicio
• Due processi
1. Perdita di energia di una particella carica nella materia (∆E)
2. Formazione di segnale in un semiconduttore (qn,qn+1)(qn,qn+1)
13/11/2013 12
∆E
EE-∆E ∆E<<E
qn
qn+1
qn+qn+1~∆E
d~300µm
pitch~50-200µm
x = Σqixi/qtot
C. Civinini - INFN Firenze
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Perdita di energia di una particella
carica nella materia
• Formula di Bethe-Bloch:
13/11/2013 13C. Civinini - INFN Firenze
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Perdita di energia di una particella
carica nella materia
Minimo Risalita relativistica
Alla fine picco di Bragg
13/11/2013 14C. Civinini - INFN Firenze
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Annichilazione di anti-protone con un
protone di un atomo di Neon
13/11/2013 15C. Civinini - INFN Firenze
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Alcuni numeri
• -dE/dx (min) = 1.66 MeV g-1 cm2 in Silicio�
388 eV/µm [valore medio]
• Per un rivelatore spesso 320µm � 124KeV
[valore medio][valore medio]
• Valore più probabile � 83 KeV
• La distribuzione della perdita di energia
evento per evento è la distribuzione di Landau
(con alcune correzioni)
13/11/2013 16C. Civinini - INFN Firenze
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Distribuzione di Landau
Descrive la fluttuazione della perdita di energia,
evento per evento, se questa è piccola rispetto
all’energia totale
13/11/2013 17C. Civinini - INFN Firenze
L. Landau, On the Energy
Loss of Fast Particles by
Ionization, J. Phys.
USSR 8 (1944) 201.
Valore più prob.
Valore medio
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Fluttuazioni di Landau
13/11/2013 C. Civinini - INFN Firenze 18
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Formazione del segnale
• Il numero di coppie elettrone/lacuna prodotte da una particella carica che attraversa il Silicio è dato da
– NehMostProb=∆EMostProb/W
– W=3.6eV– W=3.6eV
• Per un rivelatore di 320µm di spessore e particelle al minimo di ionizzazione che lo attraversano perpendicolarmente:
– NehMostProb=∆EMostProb/W=83KeV/3.6eV=23000
– qMostProb= 3.7fC
13/11/2013 19C. Civinini - INFN Firenze
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Struttura di un rivelatore a microstrip
di Silicio
13/11/2013 20C. Civinini - INFN Firenze
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Struttura di un rivelatore a microstrip
di Silicio
13/11/2013 21C. Civinini - INFN Firenze
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Struttura di un rivelatore a pixel di
Silicio
13/11/2013 22
Al posto delle strip ci sono delle celle che ‘piastrellano’ la superficie
del sensore in 2 dimensioni (pixel).
Due tipi di strutture: elettrodi depositati sulle superfici (planari)
elettrodi inseriti come colonne nel silicio (3D).
C. Civinini - INFN Firenze
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Lettura di un rivelatore a pixel
Ogni pixel è
direttamente
connesso con il
corrispondente
canale di
13/11/2013 23
canale di
elettronica tramite
la tecnica di
‘bump bonding’
Una goccia di Indio è depositata su ogni pixel del sensore, il
chip di read-out è appoggiato sopra e riscaldato
C. Civinini - INFN Firenze
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Calorimetria• E’ una tecnica che misura l’energia di una
particella (sia carica che neutra) tramite il suo completo assorbimento in un rivelatore
• I calorimetri si possono distinguere in base al tipo di interazione della particella che si vuol misurare:misurare:
– Calorimetri elettromagnetici
• Per particelle che interagiscono con la materia solo tramite la forza elettormagnetica (elettroni, fotoni)
– Calorimetri adronici
• Per particelle che interagiscono anche tramite la forza nuclare forte (protoni, neutroni, pioni, ...)
13/11/2013 24C. Civinini - INFN Firenze
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Interazioni elettromagnetiche
• Per un elettrone:
– Ionizzazione del materiale: e(E)+X�e(E-∆E)+ne(∆E)
– Bremsstrahlung: e(E)+X�e(E-∆E)+γ(∆E)
– Se e+: e+(E)+e- � 2γ(me/2)– Se e+: e+(E)+e- � 2γ(me/2)
• Per un fotone:
– Effetto fotoelettrico: γ(E)+X�e(E1) (+X(E2)) ; E1+E2=E
– Effetto Compton: γ(E)+X�e(E1)+γ(E2); E1+E2=E
– Creazione di coppie γ(E)+X�e+(E1)+e-(E2); E1+E2=E
– Interazione fotonucleare: γ(E)+X�X1+X2
13/11/2013 25C. Civinini - INFN Firenze
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Andamento in energia e Z delle interazioni
di elettroni e fotoni con la materia
13/11/2013 26C. Civinini - INFN Firenze
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Cascata elettromagneticaSe la particella è un elettrone (o positrone) o fotone con una energia
iniziale >> 1 GeV si sviluppa uno sciame composto da elettroni,
positroni e fotoni di energia sempre minore.
L’ultimo passo della cascata
è costiruito da elettroni di
bassa energia che possono
perdere energia solo per
13/11/2013 27
perdere energia solo per
ionizzazione.
Questa è larga parte
dell’energia della particella
di partenza.
Se il materiale risponde alla perdita di energia con un segnale ad essa
proporzionale si riesce a determinare l’energia di partenza.
C. Civinini - INFN Firenze
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Sciame elettromagnetico
13/11/2013 28
La lunghezza caratteristica di uno sciame si misura in X0
X0 (lunghezza di radiazione) è la distanza che deve percorrere un
elettrone di alta energia per perdere una frazione 1/e della sua
energia per bremsstrahlung (oppure 7/9 del libero cammino
medio di un fotone) es: X0(NaI)=2.59cm, X0(CsI)=1.86cm
C. Civinini - INFN Firenze
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Interazione nucleare forte
• Gli adroni (p,n,π,K,...) interagiscono con i nuclei della materia tramite la forza forte
• Ad alta energia una buona approssimazione è
– Hadron + N(A,Z) � nπ + mK + lNi(Ai,Zi); n>>m
• I π0 decadono subito in 2γ quindi producono una • I π0 decadono subito in 2γ quindi producono una cascata e.m.
• Gli altri adroni e frammenti di nucleo proseguono la cascata
• Nel caso di uno sciame in aria i π e K carichi hanno il tempo di decadere in µ e ν formando una componente che interagisce poco con il materiale
13/11/2013 29C. Civinini - INFN Firenze
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13/11/2013 30C. Civinini - INFN Firenze
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Cascata adronica
Anche in questo caso
al termine dello
sciame si avranno
molte particelle
cariche di bassa
energia che si
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energia che si
fermeranno nel
rivelatore.
C. Civinini - INFN Firenze
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Sciame adronicoSimulazione di
uno sciame
adronico in
atmosfera
(protone da
1019eV, energia
13/11/2013 32
10 eV, energia
di una palla da
tennis):
Fotoni: celeste
Elettroni: blu
Muoni: verde
Protoni: rosso
C. Civinini - INFN Firenze
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Risoluzione energetica dei calorimetri• La misura di energia con i calorimetri è
essenzialmente un conteggio delle particelle che si stanno per fermare
• Questo numero è soggetto a fluttuazioni la più importante delle quali è data dalla statistica– N fluttua con sqrt(N)– N fluttua con sqrt(N)
– Se E è proporzionale ad N allora ∆E è proporzionale a sqrt(N) dunque:
∆E/E ~ 1/sqrt(E)
• Quindi un calorimetro funziona meglio ad alta energia (complementare ai tracciatori per i quali ∆p/p ~ p)
13/11/2013 33C. Civinini - INFN Firenze
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Calorimetri e.m.• Gli sciami e.m. sono compatti:
– Lunghezza: ~20X0
– Raggio: RM = 0.0265 X0 (Z + 1.2)
• Ad esempio per CsI: L=35cm, R=3.8cm
13/11/2013 34C. Civinini - INFN Firenze
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Ma come si converte l’energia?
• Uno dei metodi adottati è quello di usare
scintillatori
• In uno scintillatore la perdita di energia della
particella si converte in luce secondo la legge particella si converte in luce secondo la legge
di Birks:
13/11/2013 35
Per kB=0 la resa di luce è proporzionale con l’energia, altrimenti no.
Per particelle a fine corsa il dE/dx è molto alto e quindi la resa di luce
può non essere lineareC. Civinini - INFN Firenze
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Scintillatori per calorimetria
Scintillator Density
[g/cm3]
X0 [cm] Light
Yield
γ/MeV
(rel. yield)
τ1 [ns] λ1 [nm] Rad.
Dam.
[Gy]
Comments
NaI (Tl) 3.67 2.59 4×104 230 415 ≥10 hydroscopic,
fragile
CsI (Tl) 4.51 1.86 5×104
(0.49)
1005 565 ≥10 Slightly
hygroscopic
13/11/2013 36
(0.49) hygroscopic
CSI pure 4.51 1.86 4×104
(0.04)
10 310
36 310
103
Slightly
hygroscopic
BaF2 4.87 2.03 104
(0.13)
0.6 220
620 310
105
BGO 7.13 1.13 8×103 300 480 10
PbW04 8.28 0.89 ≈100 10 ≈440
10 ≈530
104
light yield =f(T)
C. Civinini - INFN Firenze
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Lettura del segnale
• Occorre trasformare la luce emessa dallo
scintillatore in un segnale elettrico
– Fotomoltiplicatori (PMT)
– Fotodiodi (PD)– Fotodiodi (PD)
– Fotodiodi a valanga (APD)
– Fotomoltiplicatori al Silicio (SiPM)
13/11/2013 37C. Civinini - INFN Firenze
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Fotomoltiplicatore
13/11/2013 38
Sensibile a tutto lo spettro, alto guadagno, veloce, disturbato
dai campi magnetici, costoso
C. Civinini - INFN Firenze
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Fotodiodo
13/11/2013 39
Sensibile solo ad una parte dello spettro, guadagno medio,
veloce, immune dai campi magnetici, poco costoso
C. Civinini - INFN Firenze
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Fotodiodo a valangaZona ad alto campo
dove i portatori
producono la
valanga
Zona a basso campo
13/11/2013 40
Zona a basso campo
dove il fotone
produce i portatori
che migrano nella
zona ad alto campo
Sensibile solo ad una parte dello spettro, altissimo guadagno,
veloce, immune dai campi magnetici, sensibile alle variazioni
della tensione di alimentazione
C. Civinini - INFN Firenze
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Silicon Photomultiplier
13/11/2013 41
Valanghe ancora più intense, tipo contatore Geiger, ma smorzate
da una rete di resistenze che diminuisce la tensione di
alimentazione della cella con una valanga
Sensibile solo ad una parte dello spettro, altissimo guadagno,
veloce, immune dai campi magnetici, immune alle variazioni della
tensione di alimentazione, matrici molto grandi di piccoli elementi
C. Civinini - INFN Firenze
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Calorimetri adronici• Gli sciami adronici sono più estesi di quelli e.m.:
– Lunghezza: ~1 m
– Raggio: ~30 cm
13/11/2013 42C. Civinini - INFN Firenze
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Lunghezza di radiazione e di interazione
13/11/2013 43C. Civinini - INFN Firenze
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Calorimetri adronici
• Viste le notevoli dimensioni degli sciami
adronici è difficile, o troppo costoso, realizzare
dei calorimetri adronici omogenei
• Un esempio di calorimetro adronico • Un esempio di calorimetro adronico
omogeneo è l’atmosfera terrestre usata come
calorimetro a scintillazione per rivelare raggi
cosmici di altissima energia grazie alla luce di
fluorescenza delle molecole di azoto dell’aria
13/11/2013 44C. Civinini - INFN Firenze
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Calorimetri a campionamentoSolitamente sono impiegati i calorimetri a
campionamento (certe volte anche per i
calorimetri e.m.)
Il principio è sempre lo stesso, dare una
stima della lunghezza delle tracce di bassa
energia che si producono alla fine dello
sciame.
13/11/2013 45
sciame.
O si misurano tutte � omogeneo
O se ne misura un parte
�campionamento (maggiori fluttuazioni)
Anche in questo caso i rivelatori possono essere scintillatori,
mentre gli assorbitori solitamente sono in metallo
C. Civinini - INFN Firenze
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Applicazioni in Fisica delle alte energie
• Le applicazioni di tracciatori e calorimetri in
HEP sono innumerevoli
• Mi limiterò solo ad esperimenti su LHC
• Physics case: scoperta della particella di Higgs
13/11/2013 46C. Civinini - INFN Firenze
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Gli acceleratori che compongono LHC13/11/2013 47C. Civinini - INFN Firenze
![Page 48: Tracciatura e calorimetria per esperimenti di fisica delle alte … · 2014-01-12 · Tracciatura e calorimetria per esperimenti di fisica delle alte energie e fisica medica Carlo](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022042521/5f50a3366f65db23a447c1d0/html5/thumbnails/48.jpg)
The Large Hadron Collider
LHC : 27 Km di circonferenza
~100m sotto terra48
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• Tunnel
– 3 metri di diametro lungo 27Km
• Più di ½ milione di tonnellate di terra scavate e portate vie
• Fasci di protoni
– 2x1404 pacchetti di protoni
• 1.2-1.5x1011 protoni/pacchetto
– 20 milioni di collisioni al secondo
Alcuni numeri su LHC
secondo
• Magneti superconduttori
– 1232 magneti lunghi 15 metri
– Temperatura dei magneti: -271 oC
– Più freddi e più vuoti dellospazio intorno alla Terra
– Campo magnetico 8.33 Tesla (100000 volte il campo magnetico terrestre)
• Energia dei magneti
– 10.4 Gjoule
• Energia dei fasci di protoni
– 362 MJoule
– 90Kg di TNT
– 15Kg di cioccolato49
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L’esperimento CMS
13/11/2013 50C. Civinini - INFN Firenze
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Principio di funzionamento di CMS
13/11/2013 51
Tracciatore
Calorimetri
Magnete
Superconduttore Tracciatore
Per muoniC. Civinini - INFN Firenze
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Un esperimento di LHC:
CMS
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Tracking SystemTracking System
200 m200 m22 of Silicon of Silicon
strip detectorsstrip detectors
Dec 2007
Il tracciatore di CMS
53
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Il rivelatore a Pixel di CMS
13/11/2013 54
3 cilindri concentrici
2 dischi per lato
C. Civinini - INFN Firenze
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Il calorimetro e.m. Di CMS
13/11/2013 55
76200 cristalli di
PbWO4 letti da
avalache photodiods
C. Civinini - INFN Firenze
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Cristalli di PbWO4 di CMS
13/11/2013 56C. Civinini - INFN Firenze
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Il bosone di Higgs
• La massa è una proprietà della Natura talmente fondamentale che si tende ad ignorare la domanda: ‘da dove viene?’
• Concetti come ‘gravità’ e ‘inerzia’ non sono • Concetti come ‘gravità’ e ‘inerzia’ non sono delle risposte ma conseguenze
• Il Modello Standard delle interazioni fornisce un meccanismo che spiega a livello fondamentale perchè molte particelle hanno una massa
13/11/2013 57C. Civinini - INFN Firenze
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L’origine della massa
• Si pensa che tutto l’Universo sia permeato da
un ‘campo’ con proprietà molto particolari
• Questo campo, di Higgs, si è formato insieme
all’Universo e subito dopo il ‘big bang’ ha
assunto spontaneamente un valore diverso da assunto spontaneamente un valore diverso da
zero
13/11/2013 58C. Civinini - INFN Firenze
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L’origine della massa
• Questo campo ha quattro componenti:
– 3 vengono assorbite dai bosoni W+W- Z dando loro
la massa, mentre il fotone rimane senza
– L’ultima appare come una particella osservabile: il – L’ultima appare come una particella osservabile: il
bosone di Higgs
13/11/2013 59C. Civinini - INFN Firenze
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L’origine della massa
• Ma il campo di Higgs interagisce anche con le
altre particelle e ne ‘ostacola il movimento’
– Maggiore interazione � maggior ostacolo �
maggiore massamaggiore massa
13/11/2013 60C. Civinini - INFN Firenze
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Particella con massa
13/11/2013 61
Campo di Higgs
C. Civinini - INFN Firenze
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Un sasso in uno stagno
• Come rivelare una particella di Higgs?
• Il campo di Higgs se perturbato produce delle
onde: queste sono particelle osservabili
• Occorre quindi trasferire energia al campo per • Occorre quindi trasferire energia al campo per
‘eccitarne i suoi modi di oscillazione’ (come
pizzicare le corde di una chitarra)
• Questo è stato fatto al CERN con LHC negli
ultimi due anni
13/11/2013 62C. Civinini - INFN Firenze
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Come decade il bosone di Higgs?
Ad esempio per
MH=125GeV/c2
70% in bb
20% in WW
2% in ZZ (2x10-5 in µ+µ-µ+µ-)
0.2% in γγ
13/11/2013 63
0.2% in γγ
C. Civinini - INFN Firenze
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H�γγ
13/11/2013 64C. Civinini - INFN Firenze
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La particella di Higgs
Un piccolo, ma significativo,
eccesso di eventi rispetto
al fondo aspettato
Si spiega l’eccesso con la
13/11/2013 65
Si spiega l’eccesso con la
produzione di particelle di
Higgs che poi decadono
subito in due fotoni
H�γγ
C. Civinini - INFN Firenze
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H�ZZ �µ+µ-µ+µ-
13/11/2013 66C. Civinini - INFN Firenze
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H�ZZ �µ+µ-e+e-
13/11/2013 67C. Civinini - INFN Firenze
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La particella di Higgs
Anche in questo caso è
presente un eccesso che si
spiega con la produzione di
particelle di Higgs che
decadono in 4 leptoni
13/11/2013 68
H�ZZ�µ+µ-µ+µ-
H�ZZ�µ+µ-e+e-
H�ZZ�e+e-e+e-
C. Civinini - INFN Firenze
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Applicazioni in Fisica Medica
• I rivelatori a semiconduttore sono impiegati in
diagnostica per immagini, dosimetria ecc.
• I calorimetri sono impiegati per rivelare raggi
gamma (ad. es. PET)gamma (ad. es. PET)
• Parlerò di una tecnica per ricostruire immagini
tomografiche usando protoni al posto dei
raggi X con applicazioni in Adroterapia
13/11/2013 69C. Civinini - INFN Firenze
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Proton Radiotherapy
First proposed by R.R. Wilson in 1946"Radiological Use of Fast Protons", Radiology, 47:487-491 (1946)
Main advantages with respect to conventional gamma-Xray therapy:
i) For a fixed dose at the tumor, the protons
13/11/2013
Some uncertanties to be taken into account:
i) Tumor deep estimation error for
optimized treatment planning
ii) Patient positioning system70
i) For a fixed dose at the tumor, the protons give a lower dose to healthy tissues in front of it;
ii) The Bragg peak shape ensures that healthy tissues beyond the tumor are not damaged;
iii) Proton dose distribution could be made highly conformational to the target �instrinsically 3D
C. Civinini - INFN Firenze
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Sincrotrone del CNAO (Pavia)
13/11/2013 C. Civinini - INFN Firenze 71
![Page 72: Tracciatura e calorimetria per esperimenti di fisica delle alte … · 2014-01-12 · Tracciatura e calorimetria per esperimenti di fisica delle alte energie e fisica medica Carlo](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022042521/5f50a3366f65db23a447c1d0/html5/thumbnails/72.jpg)
Ciclotrone (Trento)
13/11/2013 C. Civinini - INFN Firenze 72
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Adroterapia con fascio fisso
13/11/2013 C. Civinini - INFN Firenze 73
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Fascio mobile (gantry)
13/11/2013 C. Civinini - INFN Firenze 74
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Il ‘gantry’
13/11/2013 C. Civinini - INFN Firenze 75
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Piano di trattamento
13/11/2013 C. Civinini - INFN Firenze 76
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proton Computed Tomography:
motivations for a proton imaging systemPatient positioning:Presently this is done using conventional X ray tomographies (X-CT) takenbefore the proton treatment session and in a potentially different setup:
pCT Precision improvement if positioning andtreatment could be done in one gotreatment could be done in one go
Treatment planning:Presently defined using X-CT
but protons and photons interact differently with
matter
pCT Direct measure of the stopping power maps withthe same particle used to irradiate
13/11/2013 77C. Civinini - INFN Firenze
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Errors on stopping power from X-CT
13/11/2013
B. Schaffner and E. Pedroni
Phys. Med. Biol. 43 (1998) 1579–1592
78C. Civinini - INFN Firenze
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proton Computed Tomography:
principles of operation
Z
13/11/2013
∆∆∆∆E
Monoenergetic
Proton
beam
79C. Civinini - INFN Firenze
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proton Computed Tomography:
principles of operation
Z
Take n-projections and
combine them using X-CT
reconstruction algorithms
(FBP)
True only as
first approximation:
protons ≠ X rays
13/11/2013
∆∆∆∆E
Monoenergetic
Proton
beam
protons ≠ X rays
80C. Civinini - INFN Firenze
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Tracks with multiple scattering
Measurements: entry position and angle
Proton true trajectoryMeasurements: entry and exit positions and angles
L’
L’ � straight line withconfidence limits
13/11/2013
L
L � straight line with confidence limits
L’
Measurements: entry andExit position and angle +Most Likely Path (MLP)calculation
L’’
L’’ curved trajectory withNorrower confidence limits
81C. Civinini - INFN Firenze
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Most likely path error envelope
MLP example with 200MeV
kinetic energy protons in
20cm of water:
Entry: Y(0) = 0.2cm
Y’(0) = -10mrad
Exit: Y(20) = -0.1cm
[cm
]
200MeV in
13/11/2013
Exit: Y(20) = -0.1cm
Y’(20) = +10mrad
Silicon microstrip detectors:
320µm thick
200µm strip pitch
[cm]
82
90MeV out
C. Civinini - INFN Firenze
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PARAMETER VALUE
Proton beam kinetic
energy250 -270 MeV
Proton beam rate 1 MHzz
xy
• Single par]cle proton tracking: silicon strip detectors → MLP
• Residual energy measurement: crystal calorimeter → energy
loss
pCT apparatus
1 MHz
Spatial resolution < 1 mm
Electronic density
resolution<1%
Detector radiation
hardness>1000 Gy
Dose per scan < 5 cGyP1 P2 P3 P4
z
A set of single event information can be processed by appropriate
reconstruction algorithms to produce tomographic images.
13/11/2013 83C. Civinini - INFN Firenze
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PRIMA collaboration: pCT
apparatus
First test at INFN-LNS:
May 2011
Four x-y silicon microstrip based
tracking planes
Yag:Ce calorimeter
Proton entry and exit
positions and directions
Proton residual energy13/11/2013
CATANA beam line:
62 MeV protons
used to treat ocular tumors
84C. Civinini - INFN Firenze
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Tracker module
•Parallel strip read-out•Local data storing during measurement•Ethernet data download at measurement completion
Front-end board
Digital board
13/11/2013 85C. Civinini - INFN Firenze
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Si Sensor and Front-end ASIC
6.6 x 1.6 mm2
32 inputs - 32 outputs
670 mW power
consumption
Vcc=+3.3 V
p on n
single sided
<100>
200µm thick
200µm strip pitch
13/11/2013 86C. Civinini - INFN Firenze
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Calorimeter and DAQ4 YAG:Ce
scintillating
crystals
30 x 30 mm2 x 100mm
each
87
4 Photodiodes
18x 18 mm2
13/11/2013 87C. Civinini - INFN Firenze
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pCT imagePMMA phantom
36 projection steps: 0°� 360°An average of 950000 events per projection
E0=62MeV INFN-LNS
Filtered Back Projection algorithm
Tomographic equation (Wang, Med.Phys. 37(8), 2010: 4138)
0ESS
13/11/2013
∫∫
=
0
),(),(),,( 2020
E
EPath res
dEEOHS
EOHS
dlEyxSρρ
«projection»Unknown stopping power
distribution (at E0)
Evaluation of the “projection” term
(through numerical integration
starting from NIST tables and using
the measured Eres)
Eres Wang projection
88C. Civinini - INFN Firenze
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