Masterclass 2014 – Prima Parte Stefano Marcellini – INFN Bologna (Quasi) tutto quello che c’e’ da sapere sulla fisica delle particelle elementari 09/12/2018

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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 09/12/2018

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”) 09/12/2018

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 09/12/2018

Esempio: l’atomo elettrone Interazione Elettromagnetica: scambio di fotoni nucleo 09/12/2018

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 09/12/2018

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 09/12/2018

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 09/12/2018

Lago Lemano 09/12/2018

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 09/12/2018

Un rivelatore di particelle idealmente deve poter fare tutto questo. 09/12/2018

Particelle ad alto momento trasverso pt Impulso della particella p Momento trasverso pt Direzione del fascio di protoni incidente 09/12/2018

Particelle ad alto momento trasverso pt Impulso della particella p Momento trasverso pt Direzione del fascio di protoni incidente 09/12/2018

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 09/12/2018

Un evento tipico a LHC: molte tracce

Struttura del protone: diventa molto complessa se “vista” ad alta energia (alta risoluzione) 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) Coppie quark-antiquark (si chiamano “sea”) Ognuno trasporta un po’ dell’impulso totale del protone 09/12/2018

Sebbene l’impulso totale del centro di massa dei due protoni sia zero, il centro di massa a cui avviene la collisione fra partoni si muove! Invece l’impulso trasverso e’ sempre nullo

protone + protone  W + altro Produzione di W+- a LHC protone + protone  W + altro L’urto avviene fra i costituenti del protone La frazione W+ / W- riflette la struttura interna del protone

Decadimento della W: elettrone o muone + neutrino (leptone + neutrino) La carica del leptone indica la carica della W Il neutrino non rilascia segnale nel rivelatore (energia mancante nell’evento)

Energia mancante (trasversa): Missing Et Se il rivelatore fosse capace di misurare esattamente gli impulsi di tutte le particelle prodotte in ogni interazione, la loro somma vettoriale sarebbe zero Impulso iniziale totale dei due protoni = 0 = somma degli impulsi finali Nella realta’: - le misure degli impulsi hanno una loro incertezza sperimentale - l’efficienza di identificazione e ricostruzione delle particelle non e’ il 100% - ci sono zone del rivelatore non attive (ad esempio in avanti, o nei «buchi») - ci sono particelle che non rilasciano segnali nel rivelatore (i neutrini) Risultato: La somma vettoriale degli impulsi e’ generalmente diversa da zero: in ogni evento «manca» dell’energia (o impulso) nel conteggio totale. Si utilizza in genere l’energia mancante nel piano trasverso alla collisione: Missing Et

Perche’ “trasversa” ? Momento trasverso pt Impulso della particella p Direzione del fascio di protoni incidente Invece nel piano trasverso Pt = 0 prima, e Pt = 0 dopo !!! Gli impulsi dei due partoni iniziali non sono uguali !!! 09/12/2018

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… 09/12/2018

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 09/12/2018

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 09/12/2018

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. 09/12/2018

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 09/12/2018

Bosone di Higgs: Massa = 125 GeV 09/12/2018

Siate critici su quello che state facendo Ponetevi domande Sommario degli eventi che cercherete Calcolo del rapporto W+/W- Calcolo del rapporto e/mu 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 09/12/2018