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Fisica delle Particelle Elementari Mario Paolo Giordani Università degli Studi di Udine Masterclass 2007 Mario Paolo Giordani Università degli Studi di.

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1 Fisica delle Particelle Elementari Mario Paolo Giordani Università degli Studi di Udine Masterclass 2007 Mario Paolo Giordani Università degli Studi di Udine Masterclass 2007

2 Mario Paolo Giordani2 Il Modello Standard QUARK LEPTONI m [MeV/c] Q [e] +2/3 0 –1/3 –1 6 p = uud Atomo di carbonio ( 12 C) : 6 n = udd 6 e

3 Mario Paolo Giordani3 I fermioni Componenti fondamentali della materia 1 a generazione2 a generazione3 a generazione m mm 27 Perchè 3 famiglie? Ce ne sono Altre?

4 Mario Paolo Giordani4 I bosoni Mediatori delle forze interazione = scambio di bosoni Mediatori delle forze interazione = scambio di bosoni ForzaIntensitàBosoni mediatoriAvviene in: Forte Nucleare~1 Gluoni (senza massa) Nuclei atomici Elettromagnetica~10 –3 Fotoni (senza massa) Livelli atomici Debole Nucleare~10 –5 W +,W –,Z 0 (pesanti) Disintegrazione radioattiva Gravitazione~10 –38 Gravitoni (?) Corpi massicci

5 Mario Paolo Giordani5 Il problema della massa La massa: ruolo particolare nelle leggi dellUniverso principi della dinamica, meccanica celeste... Nonostante ciò, la sua origine rimane un mistero Come se la cava il Modello Standard? Osserviamo che: massa fermioni spesso trascurabile rispetto alle energie in gioco fermioni di diverse generazioni esibiscono comportamento simile la dinamica è regolata da precise simmetrie, ricavate in modo empirico interpretando i dati sperimentali Punto di partenza: teoria a fermioni privi di massa qualunque tentativo di conferire massa ai fermioni comporta inevitabilmente una violazione esplicita della simmetria e al collasso della teoria stessa La massa: ruolo particolare nelle leggi dellUniverso principi della dinamica, meccanica celeste... Nonostante ciò, la sua origine rimane un mistero Come se la cava il Modello Standard? Osserviamo che: massa fermioni spesso trascurabile rispetto alle energie in gioco fermioni di diverse generazioni esibiscono comportamento simile la dinamica è regolata da precise simmetrie, ricavate in modo empirico interpretando i dati sperimentali Punto di partenza: teoria a fermioni privi di massa qualunque tentativo di conferire massa ai fermioni comporta inevitabilmente una violazione esplicita della simmetria e al collasso della teoria stessa

6 Mario Paolo Giordani6 Il meccanismo di Higgs Conferisce massa ai fermioni e bosoni del Modello Standard senza distruggerne la simmetria introduce ulteriori campi (particelle) nella teoria nel rispetto della simmetria originale tali campi interagiscono fra loro la loro interazione è descritta da una funzione (potenziale) il potenziale è simmetrico infiniti stati di vuoto possibili la scelta di uno stato di vuoto rompe la simmetria rottura spontanea della simmetria Conferisce massa ai fermioni e bosoni del Modello Standard senza distruggerne la simmetria introduce ulteriori campi (particelle) nella teoria nel rispetto della simmetria originale tali campi interagiscono fra loro la loro interazione è descritta da una funzione (potenziale) il potenziale è simmetrico infiniti stati di vuoto possibili la scelta di uno stato di vuoto rompe la simmetria rottura spontanea della simmetria stato di vuoto = minima energia

7 Mario Paolo Giordani7 Il bosone di Higgs Risultato del meccanismo di Higgs: rottura spontanea della simmetria conferisce direttamente massa a Z 0,W ± ma non al fotone ( ) prezzo da pagare: bosone di Higgs massiccio (auto-interazione) massa ignota (parametro libero) interazioni con il bosone di Higgs fermioni acquistano massa masse diverse = interazioni diverse Risultato del meccanismo di Higgs: rottura spontanea della simmetria conferisce direttamente massa a Z 0,W ± ma non al fotone ( ) prezzo da pagare: bosone di Higgs massiccio (auto-interazione) massa ignota (parametro libero) interazioni con il bosone di Higgs fermioni acquistano massa masse diverse = interazioni diverse candidato Higgs a LEP

8 Mario Paolo Giordani8 Fisica delle alte energie Perchè? Il bosone di Higgs è pesante Altre nuove particelle oltre lorizzonte esplorato? Come? Collisioni fra particelle bersaglio fisso: energia in parte sprecata fasci incrociati: con fasci stabili Perchè? Il bosone di Higgs è pesante Altre nuove particelle oltre lorizzonte esplorato? Come? Collisioni fra particelle bersaglio fisso: energia in parte sprecata fasci incrociati: con fasci stabili E fascio 2E fascio energia liberata nellurto

9 Mario Paolo Giordani9 Il CERN Comitato Europeo per le Ricerche Nucleari Lo statuto del CERN recita: LOrganizzazione deve realizzare la collaborazione tra gli Stati Europei per la ricerca nucleare di carattere strettamente scientifico e fondamentale e per ricerche strettamente connesse ad essa. LOrganizzazione non deve essere coinvolta in attivita di natura militare ed i risultati ottenuti dalle ricerche effettuate devono essere pubblicati o comunque resi pubblici. Comitato Europeo per le Ricerche Nucleari Lo statuto del CERN recita: LOrganizzazione deve realizzare la collaborazione tra gli Stati Europei per la ricerca nucleare di carattere strettamente scientifico e fondamentale e per ricerche strettamente connesse ad essa. LOrganizzazione non deve essere coinvolta in attivita di natura militare ed i risultati ottenuti dalle ricerche effettuate devono essere pubblicati o comunque resi pubblici.

10 Mario Paolo Giordani10 Gli Stati membri 20 Stati membri Osservatori: Israele, Turchia, USA, Giappone, Russia 20 Stati membri Osservatori: Israele, Turchia, USA, Giappone, Russia

11 Mario Paolo Giordani11 Il Laboratorio

12 Mario Paolo Giordani12 Il Large Hadron Collider (LHC) tunnel di 27km di circonferenza fasci incrociati di protoni a 7TeV 2835 pacchetti per fascio protoni per pacchetto incrocio dei fasci ogni 25ns (40MHz) 1GHz di collisioni protone-protone dimensione rivelatore: 45mx25mx25m lenergia cinetica di... un protone a 7TeV = zanzara in volo fascio a 7TeV = Boeing 777 in decollo tunnel di 27km di circonferenza fasci incrociati di protoni a 7TeV 2835 pacchetti per fascio protoni per pacchetto incrocio dei fasci ogni 25ns (40MHz) 1GHz di collisioni protone-protone dimensione rivelatore: 45mx25mx25m lenergia cinetica di... un protone a 7TeV = zanzara in volo fascio a 7TeV = Boeing 777 in decollo

13 Mario Paolo Giordani13 LHC dallinterno...

14 Mario Paolo Giordani14 Le collisioni elastiche Collisione elastica: entrambi i protoni riemergono intatti dallurto i protoni si comportano come particelle elementari molto frequente (elevata probabilità) effetti concentrati in direzione dei fasci Collisione elastica: entrambi i protoni riemergono intatti dallurto i protoni si comportano come particelle elementari molto frequente (elevata probabilità) effetti concentrati in direzione dei fasci

15 Mario Paolo Giordani15 Le collisioni anelastiche Collisione anelastica: disintegrazione dei protoni iniziali lurto effettivo avviene fra due quark non tutta lenergia dei protoni partecipa allurto nuove particelle possono emergere dallinterazione eventi più centrali Collisione anelastica: disintegrazione dei protoni iniziali lurto effettivo avviene fra due quark non tutta lenergia dei protoni partecipa allurto nuove particelle possono emergere dallinterazione eventi più centrali

16 Mario Paolo Giordani16 I rivelatori di LHC CMS

17 Mario Paolo Giordani17 A Toroidal Lhc ApparatuS (ATLAS) 10 8 Canali elettronica 7000 tPeso 22 mDiametro 44 mLunghezza 150 istituzioni 1800 scienziati

18 Mario Paolo Giordani18 Interazioni radiazione-materia e elettroni & fotoni neutrini jet quark & gluoni. muoni acciaio calorimetro adronico solenoide dispositivo di tracciatura camere a muoni calorimetro elettromagnetico Condizionano la risposta dei rivelatori ogni particella caratterizzata da una firma metodi di identificazione di particelle Condizionano la risposta dei rivelatori ogni particella caratterizzata da una firma metodi di identificazione di particelle

19 Mario Paolo Giordani19 Il processamento del segnale eventi in entrata: 100MHz 1000 particelle prodotte per evento eventi su nastro: 100Hz

20 Mario Paolo Giordani20 La ricostruzione di un evento Tevatron: 2TeVLHC: 14TeV

21 Mario Paolo Giordani21 Analisi statistica dei dati Gli eventi ricostruiti vengono analizzati diverse variabili studiate su base statistica quantità osservate comparate con la teoria massiccio uso delle tecniche di simulazione (Monte Carlo) Esempio: pp H ZZ µµµµ Gli eventi ricostruiti vengono analizzati diverse variabili studiate su base statistica quantità osservate comparate con la teoria massiccio uso delle tecniche di simulazione (Monte Carlo) Esempio: pp H ZZ µµµµ H Z p p Z diverse ipotesi di segnale fondi dominanti

22 Mario Paolo Giordani22 Alla ricerca del segnale Quale segnale? In generale unevidenza di collisione anelastica Ad esempio: Oppure: un bosone di Higgs prodotto ogni eventi Come cercare un ago in un pagliaio... Quale segnale? In generale unevidenza di collisione anelastica Ad esempio: Oppure: un bosone di Higgs prodotto ogni eventi Come cercare un ago in un pagliaio... ProcessoEventi/sEventi/y bb Z ee ~ W e W e ~ WW e X tt~ H (700 GeV)

23 Mario Paolo Giordani23 Cercando il bosone di Higgs... Il bosone di Higgs può manifestarsi in molti modi Lo stato finale dipende: dal processo di produzione dal modo di decadimento Canali dorati (come pp H ZZ µµµµ) stati finali difficilmente imitabili dal fondo Il bosone di Higgs può manifestarsi in molti modi Lo stato finale dipende: dal processo di produzione dal modo di decadimento Canali dorati (come pp H ZZ µµµµ) stati finali difficilmente imitabili dal fondo solo tracce con p T >25GeV/c

24 Mario Paolo Giordani24...che cosa impareremmo da LHC? Ipotesi 1: il bosone di Higgs viene scoperto N-esima conferma del Modello Standard misura della sua massa è compatibile con i vincoli del modello? misura delle sue proprietà nuova era di misure di precisione Ipotesi 2: il bosone di Higgs non si trova il Modello Standard va in crisi necessario studiare una nuova teoria In ogni caso: la fisica delle alte energie non finisce qui......e nemmeno il compito dellLHC Ipotesi 1: il bosone di Higgs viene scoperto N-esima conferma del Modello Standard misura della sua massa è compatibile con i vincoli del modello? misura delle sue proprietà nuova era di misure di precisione Ipotesi 2: il bosone di Higgs non si trova il Modello Standard va in crisi necessario studiare una nuova teoria In ogni caso: la fisica delle alte energie non finisce qui......e nemmeno il compito dellLHC

25 Mario Paolo Giordani25 Oltre il Modello Standard Il Modello Standard sopravvive dal 1967 innumerevoli test di precisione nessuna discrepanza significativa unico problema: bosone di Higgs ancora evanescente Tuttavia, non è una vera teoria... numerosi parametri liberi per adattarsi alla realtà...né può considerarsi definitivo nessuna descrizione della gravità alcune perplessità teoriche ancora insolute Diverse idee per spingersi oltre Il Modello Standard sopravvive dal 1967 innumerevoli test di precisione nessuna discrepanza significativa unico problema: bosone di Higgs ancora evanescente Tuttavia, non è una vera teoria... numerosi parametri liberi per adattarsi alla realtà...né può considerarsi definitivo nessuna descrizione della gravità alcune perplessità teoriche ancora insolute Diverse idee per spingersi oltre

26 Mario Paolo Giordani26 La Supersimmetria Prevede un ampliamento della simmetria Simmetria radiazione – materia Risolve i problemi del Modello Standard ma richiede lesistenza di una famiglia di bosoni di Higgs consente lintegrazione della gravità Inoltre: suggerisce una soluzione al problema della materia oscura unificazione delle forze come conseguenza robusta da un punto di vista teorico Tuttavia: spettro più che raddoppiato nessuno stato supersimmetrico è stato scoperto la supersimmetria – se esiste – è violata Prevede un ampliamento della simmetria Simmetria radiazione – materia Risolve i problemi del Modello Standard ma richiede lesistenza di una famiglia di bosoni di Higgs consente lintegrazione della gravità Inoltre: suggerisce una soluzione al problema della materia oscura unificazione delle forze come conseguenza robusta da un punto di vista teorico Tuttavia: spettro più che raddoppiato nessuno stato supersimmetrico è stato scoperto la supersimmetria – se esiste – è violata

27 Mario Paolo Giordani27 Le extra-dimensioni Prevede uno spazio con più di 4 dimensioni Il Modello Standard vive nello spazio ordinario Solo la gravità penetra le extra-dimensioni Gravità intensa come le altre forze fattore di diluizione dovuto alle extra-dimensioni Prevede il gravitone (bosone mediatore della gravità) interagisce con le particelle ordinarie Prevede uno spazio con più di 4 dimensioni Il Modello Standard vive nello spazio ordinario Solo la gravità penetra le extra-dimensioni Gravità intensa come le altre forze fattore di diluizione dovuto alle extra-dimensioni Prevede il gravitone (bosone mediatore della gravità) interagisce con le particelle ordinarie

28 Mario Paolo Giordani28 La grande unificazione (GUT)

29 Mario Paolo Giordani29 La nuova frontiera LHC: una vera macchina da scoperta Energia mai raggiunta prima Possibili eventi spettacolari creazione e decadimento di un buco nero LHC: una vera macchina da scoperta Energia mai raggiunta prima Possibili eventi spettacolari creazione e decadimento di un buco nero


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