Esercizio Z
- Introduzione al bosone Z
- Introduzione al Bosone di Higgs
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Identificazione delle particelle
- Il rivelatore ATLAS
- Giochiamo!
- Visualizzazione con HYPATIA
- Identificazione delle particelle
- Esercitazione pratica
- Identificazione degli eventi
- Cercare e scoprire tramite la ricostruzione della massa
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Centro informazioni
Identificazione delle particelle
Per potere analizzare gli eventi di collisione protone-protone visualizzati dal programma HYPATHIA devi essere in grado di riconoscere le particelle e distinguere tra loro i diversi tipi di particelle nel rivelatore. Qui scopri come identificare elettroni (e positroni), muoni (e anti-muoni), fotoni, neutrini, e particelle più complicate - gli adroni, come il protone, che sono spesso prodotti in jet.
Clicca sulle icone per sapere come riconoscere elettroni, muoni, fotoni, neutrini e jet.
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Questo segnale sperimentale è generato da un elettrone. La particella ha lasciato una traccia (in rosso) nel rivelatore interno (e quindi trasporta una carica elettrica non nulla) ed ha rilasciato tutta la sua energia all'interno del calorimetro elettromagnetico. Le scatolette gialle nelle strutture verdi che rappresentano il calorimetro elettromagnetico sono i depositi di energia. Non si osservano depositi di energia nel calorimetro adronico nè segnali nelle camere a muoni: si tratta quindi di un elettrone o di un positrone.
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Questo è lo stesso evento visto in sezione. La traccia attraversa tutti e tre i rivelatori interni e si riconoscono facilmente le scatoline gialle corrispondenti ai depositi di energia nel calorimetro elettromagnetico.
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Questo è lo stesso evento visto lateralmente. Combinando la visuale laterale e la visuale in sezione (un ottimo esercizio mentale!) si ottiene la visione tridimensionale dell'evento.
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Come si decide se si tratta di un elettrone o di un positrone? La barra degli strumenti di HYPATIA contiene il simbolo con l'indice puntato. Selezionandolo e cliccando sulla traccia appariranno delle informazioni nella finestra in basso a destra. Tra queste, i valori delle tre componenti della quantità di moto (Px, Py, Pz) e il valore della sua componente trasversa, detta anche momento trasverso (PT), come puoi vedere nella prossima immagine.
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Il segno che compare nel valore del PT (in questo caso un meno) rappresenta la carica elettrica della particella associata alla traccia. Un segno negativo indica una particella con carica elettrica negativa. Nessun segno o un segno + indica invece una particella con carica positiva. Ora siamo in grado di dire che nel nostro evento abbiamo un elettrone e non un positrone.
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In questo evento vediamo una traccia (arancione) nel rivelatore interno, con poca energia associata nei calorimetri elettromagnetico ed adronico (piccole scatole gialle nelle strutture verde chiaro e rosso), e con segnali nelle camere a muoni (in arancione). Si tratta di un muone (o di un anti-muone), che è la sola particella che rilascia segnali in tutti gli strati del rivelatore.
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In questa visuale allargata si vedono chiaramente i segnali arancioni nelle camere a muoni.
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Nella visuale laterale i segnali nelle camere a muoni sono rappresentati da croci arancioni. Queste sono collegate tra loro da una linea arancione tratteggiata che simboleggia la traccia della particella.
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Muone o anti-muone? La stessa procedura descritta nel caso dell'elettrone/positrone fornisce la risposta. In questo caso si tratta di un muone (segno negativo del PT e quindi della carica elettrica).
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In questo evento sono presenti molte tracce (linee blu) nell' Inner Detector. Una certa quantità di energia è stata depositata nel calorimetro elettromagnetico, segnalata dalle aree gialle dentro le strutture di colore verde chiaro (calorimetro elettromagnetico). Se selezioni il tasto "Physics Objects" puoi vedere che ci sono due oggetti ricostruiti, visibili come due torri gialle presenti nella rappresentazione grafica dell'evento.. E' difficile capire se questo evento contiene due elettroni o due fotoni: occorre investigare ulteriormente.
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Richiedendo che il pT delle tracce sia > 5 GeV la maggior parte di esse sparisce. La sola traccia che rimane non punta verso una delle torri gialle. Poichè non rimangono tracce ad alto pT, questo evento probabilmente non è un elettrone nè un positrone. E' però presente un abbondante rilascio di energia nel calorimetro elettromagnetico, per cui questo deve essere un evento con due fotoni.
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Ingrandendo la vista longitudinale, puoi vedere il raggruppamento di aree gialle nel calorimetro elettromagnetico (in alto a destra e in basso al centro). Di nuovo, non ci sono tracce che puntano a qualcuno di questi raggrupamenti. Digitando il tasto "Physics Objects" puoi vedere due oggetti ricostruiti. Poichè dalla figura precedente sappiamo che non possono essere elettroni o positroni, sono probabilmente fotoni. Possiamo quindi digitare sugli oggetti e selezionarli come fotoni.
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Come si riconosce un neutrino? I neutrini non interagiscono con nessuna componente dell'apparato sperimentale di ATLAS. Non interagiscono con i rivelatori di traccia, né con i calorimetri, né con le camere a muoni. Come possiamo rivelare qualcosa che non vediamo? Poiché quark e gluoni si muovono lungo l'asse del fascio prima della collisione protone-protone con una componente nulla della velocità trasversalmente al fascio, la quantità di moto trasversa totale iniziale è nulla. La conservazione della quantità di moto ci dice allora che anche dopo la collisione la quanità di moto trasversa totale deve essere nulla. Se la misura fornisce una quanità di moto trasversa totale non nulla, vuol dire che qualche particella dello stato finale non è stata rivelata o non è stata misurata correttamente. I neutrini escono dal rivelatore senza essere rivelati e causano l'osservazione di una quantità di moto trasversa non nullo pari alla propria e diretta dalla parte opposta. La quantità di moto trasversa non rivelata viene detta "mancante".
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Nel rivelatore ATLAS la quantità di moto trasversa mancante viene determinata usando l'energia depositata nei calorimetri. Quando si osserva uno sbilanciamento nella distribuzione di questa energia - detta energia trasversa mancante (Missing ET) - questo suggerisce la presenza di un neutrino tra i prodotti della collisione. Ci sono due modi di osservarlo in HYPATIA: 1. dal valore della Missing ET che compare in alto a destra nel display dell'evento all'interno di un rettangolo grigio, 2. dalla riga rossa tratteggiata nella visuale in sezione. Questa linea indica la direzione dello sbilanciamento in energia mentre il suo spessore dipende dal valore dell'energia trasversa mancante.
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In questo evento vengono prodotti praticamente solo un elettrone ed un neutrino e a causa della conservazione della quantità di moto le loro quantità di moto trasverse si bilanciano quasi perfettamente e sono dirette in direzioni quasi opposte. L'energia mancante viene valutata con l'aiuto del display e rappresentata nella direzione dell'impulso trasverso del neutrino. Una riga tratteggiata rossa e spessa indica sempre l'esistenza di una o più particelle invisibili, ovvero i neutrini. Valori inferiori di impulsi trasversi mancanti (10-20 GeV, righe tratteggiate meno spesse) possono anche essere dovuti alle incertezze sperimentali nella misura dell'energia.
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In questo display vengono mostrati i cosìddetti jet. Ogni jet consiste in un fiotto di molte particelle. Le particelle elettricamente cariche producono tracce nel rivelatore interno, quelle neutre no. Estrapolando le tracce nei calorimetri si trovano molti depositi di energia. Altri, non associabili a tracce, sono prodotti da particelle elettricamente neutre. I calorimetri adronici, in particolare, possono avere molta energia depositata. Ogni jet è il risultato di un gluone, quark o antiquark emesso da un protone nella collisione. Molta energia è in gioco per superare le forze di legame, e parte di questa è usata per creare nuove coppie quark-antiquark che si muovono in una direzione vicina e che si associano tra loro per formare nuove particelle - gli adroni. Queste generano i jet, mostrati con uno sfondo grigio per facilitarne il riconoscimento in questa immagine.
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Ricordati: fiotti di particelle che formano tracce nel rivelatore interno, hanno energia associata nel calorimetro elettromagnetico e, soprattutto, in quello adronico, possono essere ricondotte a quark, antiquark e gluoni, e sono dette jet.
