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Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07 Misura dei rapporti di decadimento del bosone Z con eventi dellesperimento OPAL STUDENTS DAY.

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1 Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07 Misura dei rapporti di decadimento del bosone Z con eventi dellesperimento OPAL STUDENTS DAY

2 Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar TEORIA

3 Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07 Luniverso in due tabelle ForzaBosone Gravitàgravitone Elettromagnetismo fotone ( ) Forza nucleare deboleZ,W +,W - Forza nucleare fortegluoni Materia quarksleptoni uct e dsbe

4 Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07 Il bosone Z ForzaBosone Gravitàgravitone Elettromagnetismo fotone ( ) Forza nucleare deboleZ,W +,W - Forza nucleare fortegluoni Studiare il bosone Z significa: misurare la massa misurare quanto vive studiarne i possibili decadimenti

5 Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07 Il bosone Z ForzaBosone Gravitàgravitone Elettromagnetismo fotone ( ) Forza nucleare deboleZ,W +,W - Forza nucleare fortegluoni Studiare il bosone Z significa: misurare la massa m Z 97 m p misurare quanto vive 3x s studiarne i possibili decadimenti

6 Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar LESPERIMENTO

7 Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07 1.Usiamo coppie particella-antiparticella per produrre la Z e+ e- Z 2.Osserviamo la Z decadere in coppie particella-antiparticella Z e+ e- Z + - Z + - Un esperimento per studiare il bosone Z e+ e- Z e+ e- Z f f

8 Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07 La fabbrica di e+ ed e-: LEP LEP E=mc 2 : si fanno collidere fasci di e+ ed e- con E=m Z c 2 In pratica E(e-)=E(e+)=½ m Z c 2

9 Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar m 7 km

10 Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07

11 Il rivelatore OPAL e-e- e+e+ B (p=qBR)

12 Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07 y x

13 Una fetta di OPAL: tracking 1.8 m y x

14 Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07 Una fetta di OPAL: calorimetri 2.4 m 3.4 m y x

15 Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07 Una fetta di OPAL: rivelatori di 4.4 m y x

16 Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07 Un esperimento per studiare il bosone Z ForzaBosone Gravitàgravitone Elettromagnetismo fotone ( ) Forza nucleare deboleZ,W +,W - Forza nucleare fortegluoni Studiare il bosone Z significa: misurare la massa misurare quanto vive studiarne i possibili decadimenti Analisi di 1000 eventi raccolti dal rivelatore OPAL e visualizzati da un ED

17 Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar HANDS-ON

18 Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07 Come OPAL vede le particelle

19 Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07 Un muone Il muone è la sola particella che abbia alta probabilità di passare attraverso tutti i calorimetri e di rilasciare un segnale nelle camere per muoni.

20 Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07 Intermezzo: le unità di misura Nella fisica delle particelle si pone c=1 E,m,p espresse tutte in eV! Le particelle si muovono a velocità v c Dalla relazione E=mc 2 E pc In pratica confonderemo lenergia delle particelle con la loro q.d.m. NB: E(e-)=E(e+)=½ m Z p(e-)+p(e+)=0 EnergiaeV Massa (E=mc 2 m=E/c 2 ) eV/c 2 Quantità di moto (T=p 2 /2m p= 2mT) eV/c

21 Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07 Energia: eV energia di un elettrone accelerato da una d.d.p. di 1 V (1 eV =1.6 x J) elettroni nel tubo catodico del televisore E=20 keV (k= 10 3 ) Massa (ricordate E=mc 2 !): eV/c 2 1 protone: m p =1.672 x kg oppure m p =938 MeV/c 2 (M=10 6 ) o anche m p =1 GeV/c 2 (G=10 9 ) Quantità di moto: eV/c Energia cinetica T=½mv 2, q.d.m. p=mv T=p 2 /2m 1 mosca (1g) a 1 km/h: p=5x10 23 eV/c Intermezzo: le unità di misura

22 Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07 Un elettrone Lelettrone perde tutta la sua energia nel calorimetro elettromagnetico 1.la q.d.m. associata alla traccia della particella carica deve essere simile all'energia depositata (stesso colore). 2.non ci sono depositi di energia nel calorimetro adronico nè segnali nelle camere per muoni.

23 Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07 Un quark? Un adrone! Un quark di alta energia produce un grappolo (o "jet") di particelle che viaggiano nella direzione del quark originale 1.la q.d.m. della traccia carica osservata è di solito maggiore dell'energia depositata nel punto in cui la particella colpisce il calorimetro adronico. 2.non è prodotto alcun segnale nelle camere per muoni 3.talvolta, ma non sempre, è visibile anche un deposito di energia nel calorimetro elettromagnetico.

24 Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07 La classificazione dei decadimenti

25 Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07 Decadimenti del bosone Z 1.Osserviamo la Z decadere in coppie particella-antiparticella Z e+ e- Z + - Z NB: negli eventi che analizzeremo lo stato finale prodotto nel decadimento della Z contiene solo particella ed antiparticella e-e- e+e+ x y

26 Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07 Z + - Due tracce di grande q.d.m. che hanno la stessa linea di volo ma viaggiano in direzione opposta e che rilasciano segnali nelle camere per muoni.

27 Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07 Z e+ e- Due tracce che si allontanano lungo la stessa linea di volo e che puntano ciascuna ad un deposito di energia nel calorimetro elettromagnetico.

28 Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07 Coppia di "jet" aventi la stessa direzione di volo ma verso opposto. Vedremo perciò un certo numero di tracce cariche ed energia depositata sia nel calorimetro elettromagnetico sia nel calorimetro adronico.

29 Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07 … ed i leptoni ? I leptoni viaggiano solo una frazione di millimetro dopodichè decadono in altre particelle (non vediamo i nel nostro rivelatore!) 17% e 17% I neutrini non sono rivelati ma portano via con sè una frazione dellenergia del

30 Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07 … ed il restante 66%? Il restante 66% dei decade producendo un neutrino e uno o più adroni –50% 1 adrone carico –16% 3 adroni carichi

31 Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07 Z + -

32 Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07 Z + - oppure Z + - ?

33 Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07 EXTRA SLIDES

34 Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07 Massa e larghezza del bosone Z Misura di m Z e Z = ћ/ Z a partire dalla misura della curva di eccitazione (risonanza) del processo e+e- f f̅ in funzione dellenergia del CM (s) Numero di famiglie di neutrini leggeri (m < ½m Z ) N =2.9840±0.0082


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