Masterclass 2014 – Prima Parte Stefano Marcellini – INFN Bologna (Quasi) tutto quello che c’e’ da sapere sulla fisica delle particelle elementari 18/09/2018

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Le particelle fondamentali della natura hanno spin = ½ νe νμ ντ e μ τ u c t d s b Q= 0 LEPTONI Q= -1 Q= +2/3 QUARK Q= -1/3 …piu’ le corrispondenti antiparticelle 3 famiglie 18/09/2018

Le Interazioni fondamentali Tutti i fenomeni che conosciamo sono interpretabili mediante 4 forze, o “interazioni” fondamentali. Int. GRAVITAZIONALE Int. ELETTROMAGNETICA Int. DEBOLE 4) Int. FORTE (o nucleare, o “di colore”) 18/09/2018

Le interazioni avvengono mediante scambio di particelle di spin intero (1 o 2), che si chiamano “portatori della forza” Int. elettromagnetiche  fotoni Int. deboli  particelle W+, W-, Z Interazioni forti o di colore  gluoni 18/09/2018

Esempio: l’atomo elettrone Interazione Elettromagnetica: scambio di fotoni nucleo 18/09/2018

Int. Gravitazionale: Gravitoni Int. forte: 8 tipi di gluoni Int. Elettromagnetica: fotoni Int. Gravitazionale: Gravitoni Int. debole: W+, W- , Zo particella A Interazione carica-mediatore Mediatore della forza, Scambiato tra A e B particella B 18/09/2018

Esempio: decadimento Beta tempo protone neutrone Quark d Quark u W- elettrone La particella W vive per un tempo brevissimo: < 10-23 s. E’ quindi assolutamente invisibile anti-neutrino 18/09/2018

Cosa avviene concettualmente in un urto tra particelle ? Due protoni vengono fatti urtare fra loro ad altissima energia (accelerati da un acceleratore) Cosa avviene concettualmente in un urto tra particelle ? Quello che succede nell’urto, avviene su scale spaziali piccolissime, tanto più piccole tanto maggiore è l’energia a cui avviene l’urto. Lo studio dei prodotti della collisioni ci da le informazioni per capire cosa è avvenuto nell’urto 18/09/2018

Lago Lemano 18/09/2018

Idealmente, per ogni interazione fra particelle prodotte in un acceleratore, vorremmo disporre di un apparato in grado di: Misurare l’impulso e la direzione di tutte le particelle prodotte Identificare tutte le particelle prodotte Misurare se sono state prodotte nel vertice di interazione o altrove 18/09/2018

Un rivelatore di particelle idealmente deve poter fare tutto questo. 18/09/2018

Particelle ad alto momento trasverso pt Impulso della particella p Momento trasverso pt Direzione del fascio di protoni incidente 18/09/2018

Particelle ad alto momento trasverso pt Impulso della particella p Momento trasverso pt Direzione del fascio di protoni incidente 18/09/2018

Stato finale tipico di LHC: molte particelle di basso pt. Stato finale molto piu’ raro a LHC: molte particelle di basso pt, ma anche alcune ad alto pt. 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 18/09/2018

Un evento tipico a LHC: molte tracce

Quark u Quark u Zo E’ responsabile delle interazioni deboli “neutre” la particella Zo E’ responsabile delle interazioni deboli “neutre” protone protone Quark u Quark u Zo Elettrone muone La Z ha una massa di circa 91 GeV: circa 91 volte la massa del protone Anti – elettrone Anti – muone La particella Z vive per un tempo brevissimo: 10-25 s E’ quindi assolutamente invisibile, ma… 18/09/2018

Decadimento della Z La Zo vive pochissimo e poi decade trasformandosi in coppie di particella-antiparticella. (es: elettrone-antielettrone oppure muone-antimuone) Due elettroni o due muoni di carca opposta MAI un elettrone e un muone, anche se di carica opposta 18/09/2018

Perche’ non si osserva una massa ben precisa ? Particella che “nasce e muore” in un tempo brevissimo: si puo’ fare a patto che la sua massa (energia) sia indeterminata: Principio di indeterminazione di Heisenberg: ΔE ·Δt > h 18/09/2018

Nell’esercizio troverete molte coppie di elettroni o muoni La misura della massa invariante di queste coppie contiene il “ricordo” del fatto che esse sono state prodotte dal decadimento della Z o di altre particelle. 18/09/2018

2 fotoni nello stato finale: Bosone di Higgs Particella di spin zero (bosone) . L’interazione delle particelle fondamentali con il campo di Higgs fa loro acquisire la massa 2 fotoni nello stato finale: 4 leptoni nello stato finale: 2e 2mu, 4e oppure 4mu 18/09/2018

Bosone di Higgs: Massa = 125 GeV 18/09/2018

Ricerca di eventi Z  2mu, o Z2e Ricerca di eventi H 2 fotoni Sommario degli eventi che cercherete Ricerca di eventi Z  2mu, o Z2e Ricerca di eventi H 2 fotoni H 4 leptoni (2e+2mu, 4e, 4mu) Siate critici su quello che state facendo Ponetevi domande E soprattutto divertitevi 18/09/2018