Course Syllabus
Obiettivi
Conoscenze e capacità di comprensione
Al termine del corso, lo/la studente/essa avrà acquisito una solida comprensione dei principi base per la produzione di fasci di particelle ad alta energia e degli apparati per la misura di grandezze fisiche di interesse in un esperimento di fisica delle alte energie
Conoscenza e capacità di comprensione applicate
Lo/la studente/essa sarà in grado di comprendere le scelte progettuali e le funzionalità delle componenti di un apparato per la misura di grandezze fisiche di interesse in un esperimento di fisica delle alte energie
Autonomia di giudizio
Lo/la studente/essa svilupperà la capacità di valutare quali sono i vantaggi e limiti dei rivelatori usati in fisica delle alte energie tramite l’analisi di esempi pratici
Abilità comunicative
Lo/la studente/essa sarà in grado di spiegare con chiarezza e proprietà di linguaggio le conoscenze acquisite
Capacità di apprendere
Lo/la studente/essa acquisirà strumenti concettuali e metodologici per approfondire in maniera autonoma gli argomenti svolti durante il corso e per comprendere articoli scientifici relativi agli apparati di misura in fisica delle alte energie
Contenuti sintetici
- Acceleratori di particelle
- Principi di rivelatori
- Rivelatori per la misura della quantità di moto e della topologia
- Rivelatori per l'identificazione delle particelle
- Rivelatori per la misura dell'energia
Programma esteso
- 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
- Principi di rivelatori: principali caratteristiche, limiti e prestazioni dei più importanti rivelatori (scintillatori, camere a filo, Time Projection Chambers, rivelatori allo stato solido e rivelatori 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 adronica
- Risoluzione energetica dei calorimetri e problema della compensazione
Prerequisiti
Fondamenti di Meccanica, Elettromagnetismo, Ottica, Relatività Speciale, Struttura della Materia e Particelle Elementari
Modalità didattica
Lezioni frontali
Materiale didattico
- "An introduction to the physics of particle accelerators" Conte, MacKay
- "Particle detectors" Grupen, Shwartz
- "Review of Particle Physics" J. Beringer et al. (Particle Data Group), Phys. Rev. D110, 030001 (2014)
Per approfondimenti - "Basic Course on Accelerator Optics" Rossbach
- "Experimental techniques in high energy physics" Ferbel
- “Calorimetry: energy measurement in particle physics” Wigmans
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Secondo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Non sono previste prove parziali. La prova orale finale consiste in un colloquio sugli argomenti del corso. Viene valutata la chiarezza espositiva, l'estensione della conoscenza degli argomenti presentati (con riferimento al syllabus) e la capacità di analisi critica e scelta progettuale di configurazioni strumentali in riferimento agli obiettivi della misura
Orario di ricevimento
A richiesta dello studente
Sustainable Development Goals
Aims
Knowledge and understanding
At the end of the course, the student will acquire a solid understanding of the basic principles for the production of high-energy particle beams and of the apparatus for the measurement of physical quantities in a high-energy physics experiment
Applying knowledge and understanding
The student will be able to understand the design choices and the functionality of the components of an apparatus for the measurement of physical quantities in a high-energy physics experiment
Macking judgments
The student will develop the ability to evaluate the advantages and limitations of the detectors used in high-energy physics through the analysis of practical examples
Communication skills
The student will be able to present the knowledge acquired with clarity and appropriate language
Learning skills
The student will acquire conceptual and methodological tools to independently study the topics covered during the course and to understand scientific articles related to a high-energy physics apparatus
Contents
- Particle accellerators
- Detector principles
- Detectors for linear momentum measurement and topology
- Detectors for particle identification
- Detectors for energy measurement
Detailed program
- 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
- Detector principles: main features, limits and performance of the most important detectors (scintillators, wire chambers, Time Projection Chambers, solid-state detectors and Cerenkov detectors)
- Theory of signal formation: derivation of Ramo’s theorem
- Organization of detectors 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 particle identification by total absorption of particles: electromagnetic and hadronic calorimetry
- Energy resolution of calorimeters and the compensation challenge
Prerequisites
Foundations of Mechanics, Electromagnetism, Optics, Special Relativity, Structure of Matter, and Particle Physics
Teaching form
Frontal lectures
Textbook and teaching resource
- "An introduction to the physics of particle accelerators" Conte, MacKay
- "Particle detectors" Grupen, Shwartz
- "Review of Particle Physics" J. Beringer et al. (Particle Data Group), Phys. Rev. D110, 030001 (2014)
For further information - "Basic Course on Accelerator Optics" Rossbach
- "Experimental techniques in high energy physics" Ferbel
- “Calorimetry: energy measurement in particle physics” Wigmans
Semester
Second semester
Assessment method
There are no tests during the semester. The final oral exam consists of an interview on the topics of the course. Clarity of exposition, the depth of knowledge of the topics presented (with respect to the syllabus), and the ability of critical analysis and design choice of instrumental configurations about the measurement objectives are evaluated
Office hours
On student's request
