Course Syllabus
Obiettivi
Fornire le conoscenze di base per la comprensione di un moderno esperimento di Fisica delle Alte Energie
Contenuti sintetici
Acceleratori di particelle. Tipologie di esperimenti. Rivelatori di radiazione e loro impiego negli apparati sperimentali di misura. Gli attuali esperimenti all’energia di frontiera: ATLAS e CMS. Prospettive per il futuro.
Programma esteso
Evoluzione delle tecniche di accelerazione di particelle e prospettive future.
Radiazione di sincrotrone e sue implicazioni sulle tecniche di accelerazione: protosincrotroni e acceleratori lineari.
Fisica degli acceleratori: principi base, linearizzazione delle equazioni di trasporto del fascio, teorema di Liouville, ellitticità ed evoluzione dello spazio-fasi, emittanza e luminosità.
Impiego dei fasci: esperimenti ai collider e a targhetta fissa.
Produzione di fasci secondari di pioni, kaoni, fotoni e neutrini.
Principali caratteristiche, limiti e prestazioni dei più importanti rivelatori: scintillatori, camere a filo, TPC, rivelatori allo stato solido e Cerenkov.
Teoria della formazione del segnale in un rivelatore: derivazione del Teorema di Ramo.
Organizzazione dei rivelatori in un apparato.
Misura del momento in uno spettrometro magnetico e risoluzioni ottenibili.
Riconoscimento di particelle a momento noto tramite misure di velocità: tempo di volo, Cerenkov a soglia o differenziale o ring–imaging, e radiazione di transizione.
Misura dell’energia e riconoscimento di particelle mediante assorbimento totale: calorimetria elettromagnetica e/o adronica.
Risoluzione energetica dei calorimetri e problema della compensazione.
Caratteristiche dei due esperimenti ATLAS e CMS: filosofia di base ed implicazioni.
Confronto delle prestazioni dei due esperimenti e loro grado di complementarietà.
Prerequisiti
Fondamenti di Meccanica, Elettromagnetismo, Ottica, Relatività Speciale, Struttura della Materia e Particelle Elementari.
Modalità didattica
Lezione frontale (6 CFU)
In caso del protrarsi delle restrizioni di accesso per pandemia, le lezioni saranno video-registrate con possibilità di video-conferenza sincrona.
Materiale didattico
K. Wille, “The Physics of Particle Accelerators”
J. Rossbach, “Basic Course on Accelerator Optics”
T. Ferbel, “Experimental Techniques in High Energy Physics”
Review of Particle Physics, J. Beringer et al. (Particle Data Group), Phys. Rev. D86, 010001 (2012)
L.D. Landau, “The Classical Theory of Fields”
L.D. Landau, “Mechanics”
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Secondo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Esame orale basato sulla discussione di un esperimento scelto dallo studente.
Orario di ricevimento
A richiesta dello studente
Aims
To provide the basic knowledge to understand a modern High Energy Physics experiment.
Contents
Particle accelerators. High Energy Physics experiment typology. Radiation detectors and their employ in the HEP experiments. The present experiments at the HE frontier: ATLAS and CMS. Prospects for HEP experiments.
Detailed program
Acceleration technique evolution and future prospects.
Synchrotron radiation and its impact on the accelerator techniques: proto-synchrotrons and linear accelerators.
Accelerator physics: basic concepts, linearization of the beam transport-equation, Liouville’s theorem, evolution of the phase-space ellipse, emittance and luminosity.
Beam exploitation: collider mode and fixed target experiments.
Secondary beam production: pion, kaon, photon and neutrino beams.
Main features, limits and performance of the most important detectors: scintillators, wire chambers, TPC, solid-state detectors and Cerenkov detectors.
Theory of detector signal formation: derivation of Ramo’s Theorem.
Detector organization in an experimental apparatus.
Momentum measurement with a magnetic spectrometer and achievable resolution.
Particle ID by time of flight, threshold/differential/ring-imaging Cerenkov detectors, and transition-radiation detectors.
Energy measurement and ID by total absorption of particles: EM and hadronic calorimetry.
Energy resolution of calorimeters and the compensation challenge.
Features of ATLAS and CMS experiments: basic approach and implications.
Comparative discussion of their performance and complementarity level.
Prerequisites
Foundations of Mechanics, Electromagnetism, Optics, Special Relativity, Structure of Matter, and Particle Physics.
Teaching form
Lectures, 6 credits
In the case of pandemic restrictions, the lectures will be video-recorded and, whenever possible, given in live streaming with the possibility to ask questions.
Textbook and teaching resource
K. Wille, “The Physics of Particle Accelerators”
J. Rossbach, “Basic Course on Accelerator Optics”
T. Ferbel, “Experimental Techniques in High Energy Physics”
Review of Particle Physics, J. Beringer et al. (Particle Data Group), Phys. Rev. D86, 010001 (2012)
L.D. Landau, “The Classical Theory of Fields”
L.D. Landau, “Mechanics”
Semester
Second semester
Assessment method
Discussion of an experiment chosen by the student
Office hours
On student's request