Forza Magnetica e Fisica delle particelle

Forza Magnetica e Fisica delle particelle

L’avanzamento della Fisica delle Interazioni Fondamentali richiede necessariamente la conoscenza di un metodo per misurare la quantità di moto \( \vec{p}\) delle particelle. Senza saper portare a termine questo compito le analisi dei dati sperimentali non permetterebbero di giungere alle conclusioni a cui siamo abituati. Ad esempio la scoperta di una particella come il bosone di Higgs sarebbe stata impossibile.

In questo post avrete modo di imparare come si determina la quantità di moto (che da ora in avanti chiameremo impulso) di una particella sia da un punto di vista teorico sia da un punto di vista operativo. Infatti, grazie ad un’applicazione interattiva (che trovate più in basso in questa pagina), lavorerete su un vero e proprio evento di collisione tra particelle e sarete voi a doverne misurare l’impulso.

Dopo aver completato l’attività: 1) compila il questionario riportando i risultati della tua misura e le tue impressioni su questa attività. 2) Carica uno screenshot dell’applicazione con la tua analisi completa nella sezione Elaborati del tuo Corso di Fisica II (con questo nome del file: tuoNumeroMatricola_particle.png o jpg).

Applicazione e Tutorial su come usarla.

Questa è l’immagine di background dell’applicazione su cui lavorerete. Mostra le tracce lasciate dal passaggio di particelle cariche all’interno di un rivelatore a gas.

Incominciamo dalla traccia in basso a destra. Essa è la traccia di un pione negativo che entra nel rivelatore da destra (\( \pi^-_{IN}\), in blu). Il \( \pi^-\) in questione si muove all’interno del rivelatore che contiene gas di \( He\) a pressione atmosferica. La collisione avviene nel punto da cui sembrano partire le tre tracce: il \( \pi^-_{IN}\) collide con uno dei nuclei di \( He\) del rivelatore a gas. Questo punto è il Vertice di Interazione. Nell’urto, l’\( He\) acquista impulso e rincula (freccia verde), il pione entrante viene diffuso verso l’alto (\( \pi^-_{OUT}\), in arancione).

Qui avete l’applicazione che costituisce l’ambiente in cui lavorerete; più sotto trovate i Tutorial che vi spiegheranno come utilizzarla per misurare l’impulso delle particelle e per visualizzarli.

Informazioni importanti sull’evento di collisione \( (\pi^-,\,He)\):

  • Le tracce lasciate dalle particelle sono dovute alla ionizzazione. Cioè al fatto che esse, essendo dotate di carica, ionizzano il gas (il pione ha carica negativa, il nucleo di \( He\) ha doppia carica positiva). Le tracce di particelle neutre non sono visualizzabili da questo tipo di rivelatore!
  • Le tracce di ogni particella coinvolta nell’interazione sono curve. Questo è dovuto alla Forza magnetica che agisce sulle particelle cariche in movimento.
  • Il rivelatore è infatti immerso in un campo magnetico artificiale, uniforme e diretto perpendicolarmente al piano dell’immagine. L’intensità del campo \(\vec{B}\) è indicata in rosso, in alto a destra.
  • Dai raggi di curvatura delle traiettorie delle particelle cariche è possibile risalire al loro impulso \( \vec{p}\) (Questo concetto è spiegato in dettaglio nell’approfondimento teorico).

Questa breve panoramica dovrebbe essere sufficiente a comprendere alcuni concetti fondamentali nella ricerca in Fisica Nucleare e delle Particelle:

  1. I rivelatori di particelle sono spesso immersi in un intenso campo magnetico artificiale \(\vec{B}\).
  2. Il campo magnetico è introdotto con il preciso scopo di curvare le traiettorie delle particelle cariche (cioè introdurre un raggio di curvatura \(r\)).
  3. Una volta nota la carica della particella, il raggio di curvatura indotto dal campo magnetico consente di risalire all’impulso \(p\) della particella.

SCOPO DELL’ATTIVITÀ.

In sostanza dovrete usare l’applicazione per:

  • Valutare i raggi di curvatura delle 3 tracce presenti nell’evento di collisione.
  • A partire dai valori dei raggi calcolare l’impulso delle 3 particelle in unità di 108 eV/c.
  • Visualizzare sull’immagine dell’evento i vettori impulso prima e dopo l’interazione.
  • Verificare se la legge di conservazione della quantità di moto sia valida anche su scale nucleari e sub-nucleari

I tutorial e gli approfondimenti che seguono vi guideranno in questa attività.

Approfondimento Teorico.

Video Tutorial 1: come misurare il raggio di curvatura delle tracce del pione e dell’He.

Video Tutorial 2: come si calcola l’impulso \( \vec{p}\) a partire dal raggio di curvatura misurato.

Video Turorial 3: conversione alle unità di misura adottate in fisica delle particelle (\( \frac{eV}{c}\)) e visualizzazione dei vettori impulso dell’evento di collisione \( (\pi^-,\,He)\)‘.

Se qualcosa non funziona mentre usi l’applicazione, aggiorna la pagina.

Attenzione alla parete laterale del rivelatore. Come puoi vedere nell’immagine, la parte della traccia del pione uscente nel riquadro verde non è da considerare. E’ una ionizzazione avvenuta sulla parete laterale della camera del rivelatore.

Ricorda di: 1) compilare il questionario riportando i risultati della tua misura e le tue impressioni su questa attività. 2) Caricare uno screenshot dell’applicazione con la tua analisi completa nella sezione Elaborati del tuo Corso di Fisica II (con questo nome del file: tuoNumeroMatricola_particle.png o jpg).

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Lorenzo Galante