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Fisica agli Acceleratori di Particelle Stefania Spagnolo Dipartimento di Fisica e Sezione INFN, Lecce.

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Presentazione sul tema: "Fisica agli Acceleratori di Particelle Stefania Spagnolo Dipartimento di Fisica e Sezione INFN, Lecce."— Transcript della presentazione:

1 Fisica agli Acceleratori di Particelle Stefania Spagnolo Dipartimento di Fisica e Sezione INFN, Lecce

2 Il Modello Standard (MS) La teoria dei costituenti ultimi della materia e delle loro interazioni Gli esperimenti agli acceleratori La predittivita` della teoria e le misure Un po’ di storia: il ruolo degli acceleratori nella fisica moderna I test di precisione del MS a LEP Il bosone di Higgs La ricerca del bosone di Higgs a LHC

3 Il Modello Standard e      e ___ d s b e -  -  -  +  + e + u c t t c u b s d _ __ _ __ Z,  Z W W leptoni quark anti-materia materia … gli ingredienti W W bosoni vettori

4 Il Modello Standard e   e -  -  - u c t Z,  Z W Wd s b leptoni quark materia … gli ingredienti 1.8 GeV 175 GeV 4.5 GeV 1 GeV = massa del protone Spin 1/2 Spin GeV GeV 3 MeV 6 MeV0.125 GeV 0.5 MeV 91 GeV 80 GeV Q=2/3 Q=-1/3 Q  0 Q=-1 _ protone I colori: le cariche delle interazioni forti Cosa accede se si produce una coppia qq di alta energia q q g (gluone) le interazioni forti

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6 Il Modello Standard Una teoria di campo “gauge invariante” Una Lagrangiana con un alto grado di simmetria L = particelle di materia libere + bosoni vettori liberi + interazione materia-bosoni + interazioni bosoni-bosoni + XXX L I processi elementari, cioè le interazioni tra particelle di materia mediate da bosoni vettori, sono definiti da uno stato iniziale e uno stato finale e rappresentati da diagrammi di Feynman (a cui corrispondono quantità “complesse” calcolabili dalla Lagrangiana)

7 Processi elementari La probabilità di un processo è espressa dal concetto di sezione d’ urto  Misurata in cm 2 più spesso in pb cm 2 = 1 pb A ampiezza di scattering (complesse)  ~ |  i A i | 2 In generale piu`diagrammi contribuiscono a un processo Le ampiezze interferiscono nella sezione d’urto diagramma di Feynman Intervengono i vertici consentiti dalla Lagrangiana tempo Il numero di vertici definisce l’ordine dello sviluppo perturbativo Calcolata con tecniche perturbative 44 22

8 Occorre descrivere la cinematica dell’urto in relatività ristretta applicando la conservazione dell’energia e dell’impulso _  s = (|  i E i | 2 - |  i p i | 2 ) 1/2 Invariante relativistico Nel sistema del c.m. p = 0 e  s = energia totale _ tempo Particelle prodotte (stato finale) Particelle interagenti predizione teorica Serie di diagrammi di Feynman Agli acceleratori di particelle si osservano gli “eventi” (stati finali) che risultano dagli urti tra particelle (stato iniziale) in laboratorio e accelerate a velocita` relativistiche (v ~ c) elettroni protoni anti-eletroni anti-protoni

9 Gli acceleratori e gli esperimenti A bersaglio fisso Colliders Accumulatori  s = ( ((m 2 +p 2 ) 1/2 +M) 2 - p 2 ) 1/2 = ( 2Mp ) 1/2  s = E 1 +E 2 = = 2p Accelerando protoni fino a 100 GeV è possibile produrre particelle di massa < 14 GeV in esperimenti a FT < 200 GeV in esperimenti a collider (FT) lineari o circolari

10 I Colliders Si classificano principalmente in base a Tipo di particelle accelerate s = Ecm (energia nel centro di massa) Luminosità L p, m-p, m N eventi prodotti = L   t Determina il tipo di processi accessibili alla soglia di energia disponibile L = f n 1 n 2 4  x  y ______ I fasci sono costituiti da pacchetti di particelle ( n per pacchetto ) di dimensioni  x  y e collidono con frequenza f  x e  y sono dell’ordine di  m

11 Collider circolari LEP LHC  cm -2 s -1  cm -2 s -1  210 GeV 14 TeV e + e - pp 22  s 25ns 45x x10 10 luminosità Ecm particelle Tempo tra 2 collisioni dei fasci Particelle in un pacchetto

12 Rivelatori ai colliders Identificano la natura delle particelle Misurano il momento delle particelle cariche nel rivelatore di tracciamento dalla curvatura delle traiettorie in campo magnetico Misurano l’energia delle particelle neutre nei calorimetri Identificano i muoni nei rivelatori piu` esterni Struttura a “cipolla”

13 Le particelle scoperte dal 1960 a oggi… … e il ruolo degli acceleratori 10 Nov MARK I at SPEAR SLAC In urti e+e- si osserva per la prima volta la J/  particella costituita da un quark e un antiquark c m(J/  ) = 3.1 GeV (3 volte la massa del protone) MARK I  ’  J/     J/  e+e-

14 1980 at the Cornell Electron Storage Ring (CESR) 1 Agosto 1977 Fermilab (USA) Physical Review Letters pubblica la prima evidenza dell’esistenza del quark b 1977 scoperta della particella  da un eccesso di coppie  +  - con energia nel centro di massa  10 GeV in urti di protoni di alta energia su un bersaglio metallico La e`riconosciuta come lo stato a energia piu` bassa del sistema legato bb  _

15 Il leptone piu` pesante  1975 SPEAR (urti e+e-) M. Perl osserva eventi con un elettrone e un muone Premio Nobel nel 1995

16 Gli acceleratori e la QCD PETRA DESY 1979 E cm =30 GeV gluone e-e- e+e+ q q _ 3 getti di adroni Prima evidenza del gluone e-e- e+e+ q q _ I quark non si propagano come particelle libere ma siano “confinati” in adroni. Pertanto i quark prodotti in processi elementari si manifestano come getti di particelle adroniche Una predizione della QCD verifivata a SPEAR nel 1973 in urti e + e - a E cm = 4 GeV

17 1983 UA1 a SPS CERN collisioni pp a Ecm = 540 GeV _ Le tracce bianche rappresentano una coppia e+e- prodotta nel decadimento di un bosone Z Prima produzione diretta dei bosoni Z e W mediatori assieme al  delle interazioni elettro-deboli _ 1994 CDF a TEVATRON Fermilab collisioni pp a Ecm = 1.8 TeV

18 Lo stato del Modello Standard Le verifiche di precisione a LEP La ricerca dei blocchi mancanti a LHC e + e - a E cm = 91 GeV dal 1989 al 1995 e + e - a E cm = GeV dal 1996 al 2000 pp a E cm = 14 TeV dal 2006 al … LEP1 LEP2

19 Il tunnel di LEP e LHC al CERN 27 Km di circonferenza 100 m sotto il suolo 4 punti di interazione

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21 LEP1LEP1 La maggior parte delle misure di precisione sulla fisica elettrodebole proviene da LEP1 e SLD (SLAC) e+e+ e-e- s=M Z 2  Z e+e+ e-e- -- ++ ++ -- q q _ _ Risonanza nella  di annichilazione elettrone-antielettrone 4 possibili stati finali osservabili Per ogni stato finale si misurano sezioni d’urto e asimmetrie avanti-indietro N  - (avanti) + N  - (dietro) ____________________ N  - (avanti) - N  - (dietro) 10 6 Z per ogni esperimento  misure di grande precisione q  top (troppo pesante) dal 1989 al esperimenti e + e - a E cm = 91 GeV = M Z   = N   L  t 

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26 Z lineshape Una sorta di Breight-Wigner descrive la shape della risonanza  ~ (s - M z 2 + i M z  z ) -2  z la larghezza della risonanza è legata alla probabilità di decadimento  z = 3  ll +  adroni + N  È possibilie misurare le specie di neutrini conoscendo   dalla teoria e misurando  ll  adroni  z La posizione del picco misura la massa del bosone Z M Z Misura della  di produzione di adroni in funzione di Ecm

27 Una delle misure piu` precise mai prodotte in fisica delle particelle Dalla combinazione dei risultati di 4 esperimenti Massa del bosone Z MZMZ MZMZ

28  z la larghezza della risonanza è legata alla probabilità di decadimento  z = 3  ll +  adroni + N  N =  Dal fit complessivo al Modello Standard N = 3.00  0.06

29 10 6 Z/esperimento  Precisione sperimentale ~ 0.1% Teoria: lo sviluppo perturbativo non può fermarsi al all’ordine piu` basso q q q q q  adroni =  0 ( 1 +  s /  (  s /   – 13 (  s /   ) q t t b b W b b  bb =  0 (1 + C(m t )) Misure sensibili a grandezze non direttamente osservabili attraverso i contributi degli ordini perturbativi più alti gg In particolare da  had /  ll si ottiene una delle misure più precise della costante di accoppiamento forte

30 Le indicazioni indirette dalle misure di precisione sulla massa del W e la massa del quark top confrontate con le misure dirette m H ??? H  Higgs un bosone previsto dal MS e non ancora osservato la cui massa non è predetta dalla teoria

31 Un Fit complessivo dei dati al Modello Standard Come si ottengono le misure indirette ? Parametri di input per la teoria (alcuni noti, altri liberi nel fit) La teoria del MS Le misure Il fit

32 I risultati del fit

33 Le misure di precisione sono poco sensibili a M H Chi e`l’ Higgs ? Dove cercarlo e come ? L’unica risposta certa finora

34 Ritornando alla Lagrangiana … XXX = Bosone di Higgs libero + interazioni Higgs-fermioni + interazioni Higgs-bosoni Proporzionali alle masse Perché un bosone di Higgs ? Il MS è una teoria rinormalizzabile se fermioni e bosoni hanno m=0! Le masse possono essere generate dinamicamente (senza introdurre “a mano” termini di massa nella Lagrangiana) se si aggiunge XXX preservando la simmetria e la rinormalizzabilità della teoria Fare previsioni nel MS è impossibile senza il bosone di Higgs

35 LEP 2 ( ) si osserva la produzione di coppie di bosoni W a Ecm > 2M W

36 Si misura direttamente la massa del bosone W

37 Gli accoppiamenti WW  e WWZ misurati a LEP2 permettono di verificare la struttura di gauge della teoria La sezione d’urto totale e le distribuzioni angolari dei prodotti di decadimento dipendono dagli accoppiamenti WW  e WWZ

38 E` possibile rivelare l’Higgs a LEP 2 se M H < Ecm – M Z e se si ha abbastanza luminosita` b b _ I jet di quark b sono caratterizzati da vertici di decadimento distanti dal punto di interazione Ecm=206 GeV, M H = 114 GeV, M Z = 93 GeV Agosto 2000 Alla fine del 2000 (chiusura di LEP2) ~ 10 eventi sono consistenti con l’ipotesi di M H = 115 GeV bassa significativita` per una scoperta

39 2001 il tunnel di LEP diventa il tunnel di LHC Attualmente in costruzione Primi fasci in LHC previsti per il Km di circonferenza 100 m sotto il suolo

40 La ricerca dell’ Higgs a LHC pp con Ecm = 14 TeV ATLAS 2 esperimenti: ATLAS, CMS

41 Le collaborazioni hanno piu` di 1000 membri

42 Display di eventi simulati

43 Collisioni pp a E = 14 TeV a LHC Sezione d’urto inelastica totale = 80 mb  10 9 eventi/s I processi interessanti sono urti tra i quarks che costituiscono i protoni Ecm(urto) < 14 TeV Gli eventi di produzione di jet per interazioni forti sono molto più numerosi degli eventi ricercati (produzione di Higgs) Enorme fondo di eventi con jet  Occorre cercate decadimenti del bosone di Higgs in stati finali con leptoni (facilemente identificabili e separabili dal fondo)

44 Sezione d’urto in pb (1 pb= b) di produzione del bosone di Higgs in funzione della sua massa g g t H H q q q q W,Z I principali meccanismi di produzione

45 Branching ratios per il decadimento del bosone di Higgs Frequenza di decadimento nei diversi canali L’Higgs decade in coppie di fermioni e bosoni L’Higgs preferisce decadere in coppie di particelle pesanti Se M H > 2 M Z il canale privilegiato per la scoperta è H  ZZ +-+- +-+- e+e- fondo bassissimo buona efficienza di ricostruzione e selezione

46  s (  +  -) = M Z  s (e+e-) = M Z Simulazione di un evento di Higgs in ATLAS  s (  +  - e+e-) = M H Se M (Higgs) > 180 GeV = 2 M Z si identificano 2 muoni e 2 elettroni tali che Se M H = 800 GeV il numero di eventi prodotti in un anno di run a bassa luminosità è 10 4 (10 9 eventi con jet di p T > 200 GeV) allora

47 La ricerca del bosone di Higgs sarà effettuata anche in altri canali di decadimento Il potenziale di scoperta complessivo di ATLAS N eventi segnale N 1/2 eventi fondo N(segnale) = N(totale)-N(fondo) N 1/2 =  N (fondo)   N (totale) perché N(fondo)>>N(segnale) 5 definisce la scoperta

48 1 pB = Byte La mole di eventi e di dati in ATLAS Se tutti gli eventi fossero registrati Il flusso di dati sarebbe 40TByte/s = 40 x Byte/s

49 La selezione degli eventi prima (trigger di I e di II livello) e durante l’acquisizione (filtro di eventi) L’elettronica di front-end deve avere capacità selettiva per gli eventi interessanti Successivo livello di selezione che coinvolge i rivelatori più lenti Selezione basata sulla ricostruzione complessiva dell’evento

50 Lo spettrometro consiste di RPC per l’identificazione veloce dei muoni (INFN Lecce, Roma, Napoli) e MDT per la misura del loro momento campo magnetico toroidale per curvare le tracce dei muoni Gli RPC sono un elemento essenziale nel trigger di I livello

51 Il lavoro dei fisici di ATLAS da oggi fino al 2006 Hardware: Costruzione dei rivelatori Test delle performances Assemblaggio al CERN Software: Sviluppo di tecniche di calibrazione dei rivelatori Sviluppo di tecniche di ricostruzione degli eventi Studio della strategia di analisi degli eventi A Lecce assemblaggio (1200 camere !) e test degli RPC (400 camere!) A Lecce studio di algoritmi di pattern recognition per la ricostruzione delle tracce di muoni nello spettrometro In attesa della fisica e per poter fare della fisica A Lecce e` stata progettata la meccanica degli RPC


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