Rivelatori di particelle

A.A. 2021/2022
6
Crediti massimi
42
Ore totali
SSD
FIS/04
Lingua
Italiano
Obiettivi formativi
L'insegnamento si propone di fornire agli studenti una panoramica completa sui rivelatori di particelle utilizzati nella fisica delle particelle elementari, astroparticelle e fisica medica. A partire dai meccanismi fondamentali di interazione radiazione-materia si discutono i rivelatori a semiconduttore, scintillazione e a gas insieme alle loro applicazioni per l'identificazione di particelle e la misure di direzione ed energia.
Risultati apprendimento attesi
Lo studente al termine del corso avrà acquisito le seguenti abilità:
1) conoscerà i principali meccanismi di interazione radiazione-materia.
2) sarà in grado di comprendere come utilizzare i meccanismi di interazione radiazione-materia per ottenere un segnale misurabile attraverso dispositivi elettronici.
3) conoscerà le principali tipologie di rivelatori di particelle : scintillatori, rivelatori e semiconduttore, rivelatori a gas e camere a ionizzazione.
4) saprà sviluppare un progetto di massima e ottimizzare un rivelatore per misura di posizione e traiettoria di particelle cariche (tracciatori)
5) saprà sviluppare un progetto di massima e ottimizzare un rivelatore per misura di energia di particelle cariche e neutre (calorimetri)
6) saprà come combinare le diverse tecniche di rivelazione per determinare il tipo di particella misurata.
7) saprà comprendere la struttura di apparati sperimentali complessi come quelli utilizzati nella fisica delle alte energie o nella fisica dei neutrini e raggi cosmici.
Programma e organizzazione didattica

Edizione unica

Periodo
Secondo semestre
Il corso potrà essere erogato interamente da remoto se vi fossero limitazioni legate all'emergenza sanitaria. In tal caso le lezioni si svolgeranno sulla piattaforma zoom in modalità sincrona per garantire la possibilità di interazione in tempo reale tra docente e studenti.
Programma
L'insegnamento si propone di fornire agli studenti una panoramica completa sui rivelatori di particelle utilizzati nella fisica delle particelle elementari, astroparticelle e fisica medica. A partire dai meccanismi fondamentali di interazione radiazione-materia si discutono i rivelatori a semiconduttore, scintillazione e a gas insieme alle loro applicazioni per l'identificazione di particelle e la misure di direzione ed energia.

Nel dettaglio si affronteranno i seguenti argomenti :

- Proprietà generali dei rivelatori di particelle. Risoluzione, linearità, efficienza, tempo morto. Rivelatori per la misura dell'energia, del tempo, della posizione.
- Meccanismi di interazione radiazione materia : perdita di energia per particelle cariche pesanti, elettroni, fotoni e adroni.
- Formazione del segnale nei rivelatori a ionizzazione. Segnale indotto e teorema di Ramo. Trasporto della ionizzazione in un mezzo e velocità di deriva. Calcolo dei campi elettrici di guida e del campo di Ramo in alcuni semplici casi.
- Elaborazione elettronica del segnale, rumore, preamplificatori. Misure di ampiezza e di tempo
- Rivelatori a ionizzazione basati sul silicio, giunzioni p-n.
- Rivelatori a ionizzazione utilizzanti gas con e senza amplificazione
- Rivelatori a scintillazione : scintillatori organici e inorganici, luce Cherenkov e radiazione di transizione. Raccolta della luce e conversione in segnale elettrico. Esempi di apparati sperimentali reali.
- Introduzione alla calorimetria elettromagnetica: concetto di sciame elettromagnetico e di calorimetro. Caratteristiche principali, dimensionamento, linearità e risoluzione. Esempi di apparati sperimentali reali.
- Introduzione alla calorimetria adronica : concetto di sciame e calorimetro adronico. Caratteristiche principali degli sciami adronici, limitazione alla risoluzione e linearità, tecniche di compensazione. Esempi di apparati sperimentali reali.
- Algoritmi di tracciamento delle traiettorie di particelle cariche.
- Sistemi di rivelatori complessi. Esempi di apparati sperimentali complessi che combinano diversi sotto-rivelatori per misure sperimentali in fisica delle alte energie.
Prerequisiti
Conoscenze di base di: elettromagnetismo, struttura della materia, particelle e nuclei. Calcolo integrale e differenziale, funzioni analitiche, trasformate di Fourier.
Metodi didattici
Il corso si articola in lezioni frontali e sessioni di laboratorio. Nelle sessioni di laboratorio verranno proposti esercizi di simulazione numerica della risposta di apparati sperimentali (calorimetri e tracciatori) volti a permettere allo studente una comprensione più profonda e consapevole delle tematiche affrontate a lezione.
Materiale di riferimento
- Diapositive del corso: https://rivelatoriparticelle.ariel.ctu.unimi.it/v5/home/Default.aspx
- C. Grupen, B. Schwartz, Particle Detectors, 2nd ed., Cambridge University Press 2008
- W.R. Leo, Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments: A How-to Approach, Springer 2994
- G.F. Knoll , Radiation detection and measurements, Wiley 2017
- K. Kleinknecht, Detectors for particle radiation, Cambridge University Press 1998
Modalità di verifica dell’apprendimento e criteri di valutazione
L'esame consiste di una prova orale della durata indicativa di un'ora. Il primo argomento da discutere verrà indicato dai docenti il giorno precedente alla data della prova e dovrà essere sviluppato dallo studente nei primi quindici minuti. Questa prima parte mira a verificare la capacità dello studente di organizzare una discussione strutturata ed approfondita su un argomento specifico del programma utilizzando il materiale e le referenze fornite durante il corso. Nella seconda parte del colloquio si discuteranno i risultati delle esercitazioni di simulazione numerica di norma presentati dallo studente in forma di relazione o trasparenze. Infine nell'ultima parte dell'esame si verificherà la preparazione dello studente sugli argomenti del corso valutando la conoscenza di base, le competenze acquisite e la capacità di affrontare problematiche nuove creando collegamenti tra i vari argomenti affrontati.
FIS/04 - FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE - CFU: 6
Lezioni: 42 ore
Docente/i
Ricevimento:
su appuntamento
Stanza A/4/C6 (IV piano edificio LITA)
Ricevimento:
su appuntamento