Collisioni nucleari (1)

Collisioni nucleari (1)

Gioco di Ruolo (GDR)

PoliLab@Home GDR

Ambientazione

Lavori ad un interessante esperimento che si propone di indagare la struttura del nucleo atomico. L’esperimento sviluppato dal tuo gruppo di ricerca consiste nel bombardare nuclei di Elio con un fascio di pioni negativi, \( \pi^-\):

fascio di

\( \pi^- \)

contro bersaglio:

\(^4 He \)

È da anni che lavorate alla costruzione di un rivelatore che consenta di fotografare le tracce delle particelle emesse negli urti che producete. Il rivelatore che avete progettato è una camera piena di un gas composto dallo stesso elemento il cui nucleo volete indagare. È dunque una camera piena di Elio a pressione atmosferica e a temperatura ambiente. Le particelle cariche che si muovono nel gas lo ionizzano; grazie alle “scie” di ionizzazione che lasciano è possibile fotografarne la traiettoria (‘traccia’, in gergo).

I pioni sono prodotti con un acceleratore che fa collidere protoni con un sottile strato di materiale producendo pioni attraverso il processo:

\( p + n \rightarrow p + p+ \pi^-\)

In una vista dall’alto lo schema è questo. Il fascio di pioni entra nella camera rivelatrice ( a base “ottagonale”). La camera è riempita di Elio. I pioni hanno così una certa probabilità di interagire con un nucleo di He.

I numeri che appaiono nella figura di sopra esprimono le dimensioni della camera rivelatrice in cm. Le barre indicate con le sigle C1, C2, … rappresentano scintillatori che danno un segnale quando una particella ionizzante li attraversa. Nell’immagine il pione attraversa il rivelatore senza collidere con alcun nucleo di He. Nel caso, invece, si verifichi una collisione il pione può essere diffuso verso l’alto o verso il basso e dunque produrre un segnale negli scintillatori C6 o C7. Il loro segnale è il “trigger” per l’apparato di ripresa che scatta una foto rivelando tutte le tracce prima e dopo l’urto.

Se non lo hai già fatto o se il tuo GDR inizia qui, compila la tua Scheda Personaggio. Il tuo livello di partenza è il livello I. I punti esperienza inizialmente sono pari a 0. Andando avanti nel corso avrai modo di ampliare le tue esperienze e accumulare punteggi sulla base delle “Campagne” di gioco a cui parteciperai. Insieme ai tuoi compagni di gruppo formerai un Team, ogni gruppo compilerà una Scheda Team. I punteggi verranno assegnati ai Team e poi potranno essere da voi stessi riportati e accumulati sulla vostra scheda Personaggio.

Cacciatori di Particelle

Il tuo gruppo di ricerca sta analizzando immagini di eventi di collisione

L’evento riportato qui sotto, è l’evento che state cercando di analizzare. Per analizzare un evento di collisione tra particelle, si procede iniziando a misurare i vettori quantità di moto (da qui in avanti impulso) delle particelle coinvolte per verificare se c’è stata conservazione dell’impulso: questo è il compito che il vostro Team deve assolvere.

Da qui in avanti sono messi a vostra disposizione tutti gli strumenti per fare un buon lavoro:

  1. presentazione dell’evento;
  2. un breve corso di formazione che introduce alla tecnica di misura dell’impulso in fisica delle particelle;
  3. un’applicazione interattiva per misurare gli impulsi dell’evento.
  4. un form per comunicare i vostri risultati

Presentazione dell’evento

Questa è l’immagine dell’evento che stai analizzando. 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).


Corso di formazione: La misura dell’impulso in Fisica delle Particelle.

  • 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).

Video Tutorial 1: come misurare il raggio di curvatura delle tracce del pione e dell’He. [Durata ~7′]

Video Tutorial 2: come si calcola l’impulso \( \vec{p}\) a partire dal raggio di curvatura misurato. [Durata ~4′]

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 \( (\pi^-,\,He)\)‘. [Durata ~7’]


Applicazione interattiva per la misura

Questa è l’applicazione interattiva introdotta nei video tutorial, da adesso in poi sarà il tuo ambiente di lavoro.

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.


Form di raccolta dati e conclusioni

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Lorenzo Galante

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