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Masterclass 2011 – Prima Parte Stefano Marcellini – INFN Bologna (Quasi) tutto quello che ce da sapere sulla fisica delle particelle elementari 30/04/20141.

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1 Masterclass 2011 – Prima Parte Stefano Marcellini – INFN Bologna (Quasi) tutto quello che ce da sapere sulla fisica delle particelle elementari 30/04/20141

2 ν e ν μ ν τ e μ τ u c t d s b Q= 0 Q= -1 Q= +2/3 Q= -1/3 Le particelle fondamentali della natura hanno spin = ½ LEPTONI QUARK 3 famiglie …piu le corrispondenti antiparticelle 30/04/20142

3 Le Interazioni fondamentali Tutti i fenomeni che conosciamo sono interpretabili mediante 4 forze, o interazioni fondamentali. 1)Int. GRAVITAZIONALE 2)Int. ELETTROMAGNETICA 3)Int. DEBOLE 4) Int. FORTE (o nucleare, o di colore) 30/04/20143

4 Le interazioni avvengono mediante scambio di particelle di spin intero (1 o 2), che si chiamanoportatori della forza Int. elettromagnetiche fotoni Int. deboli particelle W+, W-, Z Interazioni forti o di colore gluoni 30/04/20144

5 Interazione Elettromagnetica: scambio di fotoni Esempio: latomo elettrone nucleo 30/04/20145

6 particella A particella B Mediatore della forza, Scambiato tra A e B Interazione carica-mediatore Int. Gravitazionale: Gravitoni Int. Elettromagnetica: fotoniInt. forte: 8 tipi di gluoniInt. debole: W +, W -, Z o 30/04/20146

7 Esempio: decadimento Beta Quark dQuark u elettrone anti-neutrino W-W- neutrone protone La particella W vive per un tempo brevissimo: < s. E quindi assolutamente invisibile 30/04/20147

8 Due protoni vengono fatti urtare fra loro ad altissima energia (accelerati da un acceleratore) Quello che succede nellurto, avviene su scale spaziali piccolissime, tanto più piccole tanto maggiore è lenergia a cui avviene lurto. Lo studio dei prodotti della collisioni ci da le informazioni per capire cosa è avvenuto nellurto Cosa avviene concettualmente in un urto tra particelle ? 30/04/20148

9 9 Lago Lemano

10 Lunghezza 26,7 Km Velocita dei protoni : 99, % della velocita della luce 9300 magneti superconduttori, raffreddati a -271,3 gradi C = 1.9 K Pressione allinterno del tubo dellacceleratore atm (1 decimo che sulla luna) 40 milioni di collisioni al secondo Ogni esperimento di LHC riempira di dati lequivalente di 20 milioni di DVD ogni anno Costo : 6 miliardi di euro (pagato in circa 10 anni dagli stati membri del CERN su budget normale, senza richiesta di sovvenzioni speciali) Consumo energetico a pieno regime: 180 MWatt (meno di un decimo di tutto il cantone di Ginevra), fornito dalla societa elettrica francese. 30/04/ Alcune caratteristiche dellacceleratore

11 30/04/ LHC, pagato in 10 anni dallintera comunita scientifica internazionale, costa come: Una settimana di guerra in Iraq Un centesimo di quanto stanziato dagli USA per contrastare il crack delle banche Quanto viene speso al mondo in una settimana, per pubblicita Quattro bombardiari B-2 Meno di un centesimo della spesa militare mondiale annua

12 30/04/ anno di Formula 1 costa piu del piu costoso dei 4 esperimenti di LHC. Toyota 2005: 500 M$ Costo Parlamento italiano Montecitorio 940 M/anno Molto più del budget annuo CERN (650 M) 1 Km di alta velocità: M/km. TAV MI-TO 125 km – 7.8 G (più di tutto LHC !!!) (fonte: Il Sole 24 ore)

13 30/04/ LHC e costato ad ogni cittadino italiano: 1 euro e 20 centesimi lanno, per 10 anni. Per ogni euro speso dallo stato italiano per LHC, 1 euro e mezzo e rientrato come commesse alle industrie italiane. La ricerca scientifica e anche un ottimo ritorno economico !

14 Idealmente, per ogni interazione fra particelle prodotte in un acceleratore, vorremmo disporre di un apparato in grado di: Misurare limpulso e la direzione di tutte le particelle prodotte Identificare tutte le particelle prodotte Misurare se sono state prodotte nel vertice di interazione o altrove 1430/04/2014

15 Un rivelatore di particelle idealmente deve poter fare tutto questo. 1530/04/2014

16 Particelle ad alto momento trasverso p t Direzione del fascio di protoni incidente Impulso della particella p Momento trasverso p t 30/04/201416

17 Particelle ad alto momento trasverso p t Direzione del fascio di protoni incidente Impulso della particella p Momento trasverso p t 30/04/201417

18 Stato finale tipico di LHC: molte particelle di basso p t. Stato finale molto piu raro a LHC: molte particelle di basso pt, ma anche alcune ad alto p t. Sono gli eventi interessanti che bisogna selezionare. Sono una frazione di molti ordini di grandezza inferiore CMS e ATLAS sono pensati per studiare soprattuto questo tipo di eventi 30/04/201418

19 Struttura del protone 2 quark di tipo u: carica +2/3 1 quark di tipo d: carica -1/3 N gluoni: carica elettrica nulla (ma trasportano la carica forte o di colore) 30/04/201419

20 Produzione di W ad LHC in urti fra 2 protoni (esercizio di oggi) gluone + quark 66 % gluone + gluone 34 % N.B. nel primo caso il rapporto W+/W- dipende dal contenuto di quark u e d del protone W+W- 30/04/201420

21 Decadimento delle particelle W Stati finali con elettroni Stati finali con muoni N.B. i neutrini si manifestano come energia trasversa mancante (MET) nellevento 30/04/201421

22 Perche trasversa ? Direzione del fascio di protoni incidente Impulso della particella p Momento trasverso p t Gli impulsi dei due partoni iniziali non sono uguali !!! Invece nel piano trasverso P t = 0 prima, e P t = 0 dopo !!! 30/04/201422

23 Eventi di fondo (per lesercizio che farete oggi) Stati finali con 2 elettroni Stati finali con 2 muoni 30/04/201423

24 Allinterno dei dati che analizzerete sono stati inseriti alcuni eventi simulati di produzione e decadimento di Higgs: Il bosone di Higgs e una particella prevista dalla teoria ma mai osservata prima Serve a spiegare perche la materia ha massa. Puo essere prodotta a LHC e poi decadere in questo modo: Stati finali con coppie W+W- HiggsFondo WW 30/04/201424

25 Scopo dellesercizio di oggi: Studiare i decadimenti leptonici (elettroni e muoni) della particella W+ e W- prodotte negli urti fra protoni a LHC (esperimento ATLAS). Da questo studio e possibile ottenere informazioni sulla struttura interna dei protoni Per fare questo e necessario riconoscere quando un evento contiene un decadimento di una W+ o W- in elettrone o muone (+ neutrino) (vedi prossima pagina) Per riconoscere un decadimento di W in elettrone o muone e necessario saper riconoscere come appare un elettrone o un muone nellapparato sperimentale ATLAS. 30/04/201425

26 Decadimento delle particelle W Stati finali con elettroni Stati finali con muoni N.B. i neutrini si manifestano come energia trasversa mancante (MET) nellevento 30/04/201426

27 Un elettrone si riconosce da: -Una traccia nel tracciatore interno -Un importante deposito di energia nel calorimetro elettromagnetico -Nessun deposito di energia nel calorimetro adronico -Nessun segnale nelle camere a muoni Un muone si riconosce da: -Una traccia nel tracciatore interno -Un modesto depositio di energia nel calorimetro elettromagnetico -Un modesto depositio di energia nel calorimetro adronico -Segnali in una o piu camere del rivelatore a muoni Promemoria 30/04/201427

28 f+ = 0.66*(2/3) *(1/2) ~ 0.60 (idealmente) f- = 0.66*(1/3) *(1/2) ~ 0.40 (idealmente) f+/f- ~ 1.5 (idealmente) gluone + quark 66 % gluone + gluone 34 % provenienti da g+q: Arancio=misurato, verde=teoria, rosso=contenuto di quark u rispetto a d 30/04/201428

29 Compito 1 : Scopri la struttura del protone! Seleziona tutti gli eventi di segnale (eventi con produzione di una particella W) tra i 50 eventi che ti sono stati assegnati. Per questi determina la carica della particella W. Alla fine combinando i risultati determina il rapporto tra il numero di W carichi positivamente e il numero di W carichi negativamente. Una quantità indicata con R±. Un evento di segnale e caratterizzato da: ce esattamente un elettrone o muone (leptone positivo o negativo), che appare isolato (non e allinterno di un jet di particelle), con un impulso trasverso pt > 20 GeV Nellevento manca una parte dellimpulso trasverso totale: MET > 25 GeV (presenza di un neutrino di alto impulso trasverso, proveniente dal decadimento della W). Langolo fra il leptone carico e la direzione della MET, nel piano trasverso, deve essere tra 160° und 200° (circa opposti in direzione, entro la risoluzione) Se levento non ha queste caratteristiche., e classificabile come evento di fondo. 30/04/201429

30 Caratteristiche dei possibili eventi Higgs fra il fondo contenere ESATTAMENTE DUE leptoni (elettroni o muoni) con carica elettrica opposta, isolati (non contenuti in un jet di particelle) ciascuno deve avere un impulso trasverso di almeno 20 GeV. Inoltre deve esserci anche un impulso trasverso mancante di almeno 40 GeV. 30/04/201430


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