Scelta dei materiali ed analisi strutturale per supporti di rivelatori di particelle dell’esperimento BTeV a FermiLAB (U.S.A.)

7a quest’ultima considerazione si è pensato di realizzare una struttura composita costituita da un 
sandwich scatolato con pelli in pre-preg unidirezionale realizzato in epossidico con rinforzo in 
fibra lunga di carbonio e core in rohacell. Il primo passo è stato la formulazione di varie ipotesi di 
sezioni alternative; tra le possibilità presentate, si è scelta quella ritenuta più valida. Questa 
soluzione, sviluppata dal gruppo BTeV dell’INFN, è stata presentata come alternativa al supporto 
progettato dal Fermilab in quanto considerata essere di maggior rigidezza a parità di massa 
attraversata. Una volta individuato il tipo di componente meccanico ed i materiali da impiegare si 
è passato all’analisi con il calcolatore. Il calcolo agli elementi finiti condotto è stato orientato alla 
valutazione delle proprietà meccaniche del supporto, in un primo tempo con l’applicazione di 
sollecitazioni semplici (sforzo assiale, momento flettente e torcente), quindi con la simulazione di 
carichi reali legati ai sensori da applicare. In quest’occasione si è cercato di valutare quella che è 
la struttura più rigida ottenibile variando l’orientazione delle pelli di composito.  
Come seconda analisi si è passato allo studio del supporto a cui il supporto in esame va ad 
ancorarsi; ciò ha permesso di avere un’idea più precisa dell’entità delle sollecitazioni del 
componente, per effetto delle azioni agenti sull’interfaccia. Si è eseguito in questo modo uno studio 
più generale delle sollecitazioni a cui questo componente è sottoposto. Nello sviluppare questa 
sezione si è avuta la possibilità di avere un riscontro più attendibile mediante la realizzazione ed il 
testing di un prototipo reale del frame, questo ha permesso di eseguire una taratura su banco del 
modello realizzato al calcolatore ed una verifica dello stesso. Il passo successivo è stato quello di 
effettuare un parallelo tra le due soluzioni, la prima sviluppata in Italia e l'altra americana, si sono 
eseguiti dei confronti sulla base delle differenti rigidezze a parità di massa introdotta nel cammino 
delle particelle.  
8Durante il lavoro di tesi si è seguita e documentata anche la fase che porterà alla 
realizzazione dello stampo dell’interfaccia; in questa sede si sono valutate le varie metodologie di 
realizzazione e si sono scelte quelle ritenute più valide, in quanto permettono o di facilitare la 
realizzazione e l’assemblaggio delle singole parti oppure sono in grado di migliorare la struttura 
dal punto di vista dell’aumento di rigidezza o della riduzione della massa. 
A fianco alla parte sperimentale si è aggiunta anche una sezione compilativa in cui si 
presenta prima il progetto BTeV nel suo complesso, e in secondo luogo, le singole unità costituenti, 
al fine di dare un’idea globale di quello che è l’esperimento. Questo per giustificare le scelte fatte 
nella sezione sperimentale. In quest’unità si è anche spiegato per sommi capi il principio fisico di 
base della stazione di rilevazione, le fasi che hanno portato all’approvazione del progetto; si è 
inoltre descritto il sistema di acquisizione dati, ritenuto interessante in quanto è il primo nel suo 
genere a prevedere la possibilità di rendere le informazioni accessibili tramite rete da un 
qualunque server ed in qualsiasi parte del mondo.  
9 
 
 
 
 
Capitolo 1 
 
PROGETTO BTeV 
 
 
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La ricerca sui costituenti fondamentali della materia e sulle forze che agiscono tra loro ha 
condotto, nel corso del '900, a risultati considerevoli, fino all'elaborazione di una teoria che descrive 
con una buona precisione il mondo delle particelle elementari. Questo teoria, chiamata Modello 
Standard, è stato confermata quasi completamente nel corso degli ultimi anni grazie a studi che 
hanno ulteriormente rafforzato i risultati ottenuti utilizzanti acceleratori sempre più potenti. 
La teoria divide le particelle elementari in due classi: i leptoni, soggetti solo alle interazioni 
elettromagnetiche, deboli e gravitazionali, e i quarks che sono sensibili anche alle interazioni forti. 
Le forze tra le varie particelle sono rappresentate come scambi di quanti di energia: il fotone per le 
forze elettromagnetiche, i bosoni Z e W per le interazioni deboli, i gluoni per le interazioni forti, 
infine i gravitoni, non ancora osservati, per le forze gravitazionali. Alcuni aspetti del Modello 
Standard e, più in generale dei modelli teorici della fisica delle particelle elementari, richiedono 
l'uso di notevoli potenze di calcolo pari a quella di migliaia di personal computers che lavorino in 
modo coordinato. 
 
1.1  Il Progetto BTeV 
 
Un gruppo di ricerca di fisici, esperti informatici ed ingegneri elettrici di USA, Italia, Russia 
e Cina, hanno da alcuni anni iniziato la costruzione del detector in un nuovo esperimento di fisica 
delle alte energie, chiamato BTeV. Tale dispositivo, che rappresenta il primo esempio di 
esperimento in linea, non solo deve essere in grado di analizzare i fenomeni di interesse, ma deve 
essere anche insolitamente affidabile e facile da rimodernare e mettere a punto. 
La stazione di rilevazione in fase di realizzazione è un esperimento che è disegnato per 
sondare in modo accurato taluni aspetti del Modello Standard, calcolare alcuni dei suoi parametri 
11
con estrema precisione e, in particolare, verificare la spiegazione data da tale teoria sulla violazione 
della simmetria del CP. Ci si aspetta che le misurazioni effettuate rivelino le eventuali debolezze di 
tale modello in merito a quest’ultimo aspetto, in modo da fornire lo spunto per una teoria più 
generale di quella attualmente presente. I risultati serviranno a far luce sui fenomeni associati 
all’origine dell’universo, in altre parole come e perché il tutto sia fatto di materia e non di 
antimateria. 
 
 
 
 
Figura 1: parti costituenti l’esperimento BTeV a Fermilab, secondo l’attuale progetto sta cercando di realizzare solo 
uno dei due bracci inizialmente previsti, la lunghezza di tale parte è di 12 metri. 
 
Secondo Kaplan, “BTeV è posto bene per rispondere alle domande cruciali nella fisica di 
sapore pesante”. Con l'iniettore principale in operazione, il Tevatron produrrà più di 400 miliardi di 
adroni “B” per anno e 10 adroni “C” (contenenti charm quarks) per ogni “B”. In BTeV avvengono 
15 milioni di collisioni tra particelle ad alta energia per secondo, ognuna di queste interazioni 
12
tipicamente crea tra 10 a 100 particelle subatomiche che viaggiano attraverso il detector. 
Il rivelatore BTeV è composto di: 
¾ Un pixel detector di vertice che, oltre ad offrire informazioni offline di qualità molto alta, è 
usato dal trigger di Livello 1 per selezionare gli eventi di interesse. Associato al sistema di 
acquisizione dati permette l'accumulazione di un campione imparziale in quanto molto ricco di 
eventi. 
¾ Un sistema di identificazione e per particelle che permetterà l’identificazione di mesoni K, 
protoni e pioni. 
¾ Un calorimetro elettromagnetico a cristalli ad alta risoluzione che consente lo studio di 
precisione di eventi che contengono fotoni, pioni neutri, ed altre particelle neutre. 
¾ Un tracciatore di eventi con microstrip di Silicio e straw tubes. 
L’esperimento è progettato per esplorare le interazioni tra protone ed antiprotone nei punti 
posti alla luminosità di 2 x 10
32
 cm
-2
s
-1
.La sua portata di fisica, in conformità a quanto detto sinora, 
supera quella degli altri esperimenti in alcune di queste importanti misurazioni. 
 
1.2  Cenni storici 
 
L’esperimento è concepito nel Maggio del 1997, immediatamente è ritenuto di interesse 
fisico elevato, sempre in quel periodo è sottoposto alla direzione del Fermilab un piano di 
realizzazione del progetto. Nel Dicembre dello stesso anno è stato riconosciuto come un progetto 
prioritario per il Laboratorio. 
 
13
 
 
Figura 1bis:  Progetto BTeV secondo la preliminare proposta del 1999, secondo 
tale schema sono previsti due bracci e non uno come l’attuale piano.  
 
A Maggio del 1999 BTeV si sottopone ad un preliminare progetto con rapporto tecnico, 
questo rappresenta il primo documento che descrive in toto le funzioni e le parti della stazione di 
rilevazione a due  bracci. Nel Maggio 2000 si presenta una proposta a Fermilab, l’Assemblea 
Consultiva dei fisici dell’istituto di ricerca, riunitasi in Aspen, Colorado 17 giugno 2001, ha 
deliberato di stanziare i fondi per realizzare tale idea, in tale occasione si è descritto come un 
esperimento ambizioso con “un detector elegante e difficile”, che potrebbe “essere l’esperimento 
definitivo che chiarifica finalmente la questione della violazione del CP”. Il mese successivo, per la 
sua realizzazione, sono stanziati $130.000.000, più $50.000.000 per i costi  della regione di 
interazione e di beam-line (magneti e apparecchiature di altro genere). 
A Marzo 2002 è stato presentato un aggiornamento di proposta che descrive uno 
spettrometro a singolo braccio. Il costo della realizzazione è ridotto a $100.000.000 e si decide di 
ridurre parti di beam-line spostando la loro rivelazione ad altre regioni di interazione, riducendo 
altresì le spese supplementari. 
14
L’Assemblea Consultiva dei fisici del Fermilab nel Maggio 2002 riapprova all’unanimità il 
piano di realizzazione. 
Settembre/Ottobre, 2002: Fermilab conduce un esame di costo di BTeV. 
La Collaborazione BTeV è un gruppo di circa 150 fisici ed ingegneri appartenenti 
trentacinque università ed istituti di ricerca in Bielorussia, Canada, Cina, Italia, Russia e Stati Uniti. 
Quest’equipe di scienziati ha fatto un eccellente lavoro nello sviluppo delle tecnologie avanzate, 
necessarie a rendere l'esperimento possibile, e nella realizzazione di apparecchiature per l’analisi e 
la rilevazione degli eventi. 
 
 
 
Figura 2: Pianta stazione di rilevazione secondo il progetto iniziale, ci sono due, non uno come l’attuale design, bracci che 
si dipartono in direzioni opposte. 
 
L’esperimento utilizzerà il collider di protone-antiprotone di Tevatron al FermiLab, ad ovest 
15
di Chicago, Illinois (USA), la sua costruzione dovrebbe cominciare nel 2004 e dovrebbe essere 
completa in tempo per prendere dati nel 2008. 
 
1.3  Modello standard e violazione del CP in BTeV 
 
Il Modello standard è una teoria fisica che riassume tutte le attuali conoscenze nel campo 
delle particelle elementari e delle forze che ne regolano le interazioni fondamentali. 
Tutte le interazioni osservate in natura possono spiegarsi mediante lo studio del 
comportamento di un certo numero di particelle elementari. Poiché la materia è composta dalle 
stesse particelle, la base dello studio delle interazioni consiste nell'analisi delle leggi che regolano 
l'azione mutua tra tali entità; tale esame si semplifica considerando che tutte le forze conosciute si 
possono ridurre a quattro tipi fondamentali (elettromagnetismo, forza nucleare forte e debole e la 
gravità) i quali dovrebbero spiegare tutte le forze che si esercitano tra le diverse parti dell'Universo. 
Sino al sec. XIX si conoscevano solo due di queste interazioni, a quel tempo era già nota la 
forza gravitazionale, storicamente il secondo tipo di interazione studiata fu l'interazione 
elettromagnetica. Il nome di quest’ultima deriva dal fatto che elettricità e magnetismo sono due 
diversi aspetti dello stesso fenomeno, peraltro più complesso della gravitazione, non solo per 
l'esistenza di due tipi di cariche elettriche, ma anche per la dipendenza di queste interazioni dalla 
velocità delle particelle cariche che ne sono responsabili. 
Successivamente la scoperta del neutrone implicò la considerazione delle interazioni forti 
aventi caratteristiche assai diverse da quelle delle interazioni gravitazionali ed elettromagnetiche. Le 
interazioni forti infatti sono indipendenti dalla carica elettrica e sono le forze responsabili 
16
dell’esistenza stessa dei nuclei, che in assenza di tali forze tenderebbero a frantumarsi a causa della 
repulsione coulombiana tra i protoni contenuti nel limitato volume nucleare. 
Il decadimento del neutrone e l'ipotesi del neutrino indussero, infine, Fermi ad introdurre un 
quarto tipo di interazione: le interazioni deboli, di intensità inferiore a quelle forti, ma sensibilmente 
superiore a quella delle interazioni gravitazionali ed elettromagnetiche. Tali interazioni governano il 
decadimento di molte particelle che interagiscono fortemente e sono responsabili del regresso di 
certi nuclei radioattivi. L'agente responsabile delle interazioni deboli è rimasto sconosciuto fino agli 
inizi degli anni Ottanta; fino a che nel 1983 il fisico italiano C. Rubbia con un gruppo di ricercatori 
del CERN di Ginevra scoprì le particelle attraverso le quali interagiscono le interazioni deboli, 
individuandole nei bosoni W e Z
o
. 
E’ cercando di mettere in ordine le nuove scoperte, che i fisici nucleari iniziarono a costruire 
il Modello Standard, con l’intento di riuscire a spiegare tutte le interazioni con un'unica teoria. Sotto 
questo profilo però questo modello presenta dei limiti che ostacolano il raggiungimento dello scopo 
ultimo della fisica moderna. In primo luogo, pur avendo riunificato la forza elettromagnetica e 
quella nucleare debole, ci sono alcuni punti deboli nella teoria, i principali sono: non includere la 
forza di gravità, che è l’interazione di più debole intensità; non spiegare lo spettro delle masse delle 
particelle; il dover accettare la presenza di diversi parametri arbitrari; non riuscire a riunire in un 
solo modello l'interazione nucleare forte e la forza nucleare debole ma dover ritenere, secondo la 
teoria della grande unificazione, che queste due forze a temperature elevate si equivalgano. 
Dalla scoperta dell’elettrone e delle altre particelle quantistiche, soprattutto negli ultimi 
cinquanta anni, c’è stato un grandissimo numero di esperimenti e analisi teoriche per rispondere a 
quesiti circa la determinazione dell’ultimo costituente della materia, il modo di classificare tali 
entità e il determinare le possibili interazioni tra loro esistenti.