Misura dei rapporti di decadimento del bosone Z con eventi dell’esperimento OPAL STUDENTS’ DAY Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07

1. TEORIA Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07

L’universo in due tabelle 14/06/2004 Forza Bosone Gravità gravitone Elettromagnetismo fotone () Forza nucleare debole Z,W+,W- Forza nucleare forte gluoni Le forze hanno origine dallo scambio di una particella detta bosone tra le particelle di materia (quarks e leptoni) Materia quarks leptoni u c t e   d s b e   Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07

Il bosone Z Forza Bosone Gravità gravitone Elettromagnetismo 14/06/2004 Forza Bosone Gravità gravitone Elettromagnetismo fotone () Forza nucleare debole Z,W+,W- Forza nucleare forte gluoni Studiare il bosone Z significa: misurare la massa misurare “quanto vive” studiarne i possibili decadimenti Le forze hanno origine dallo scambio di una particella detta bosone tra le particelle di materia (quarks e leptoni) Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07

Il bosone Z Forza Bosone Gravità gravitone Elettromagnetismo 14/06/2004 Forza Bosone Gravità gravitone Elettromagnetismo fotone () Forza nucleare debole Z,W+,W- Forza nucleare forte gluoni Studiare il bosone Z significa: misurare la massa  mZ 97 mp misurare “quanto vive”  3x10-25 s studiarne i possibili decadimenti Le forze hanno origine dallo scambio di una particella detta bosone tra le particelle di materia (quarks e leptoni) c*Tau=8E-17 m Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07

2. L’ESPERIMENTO Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07

Un esperimento per studiare il bosone Z 14/06/2004 Usiamo coppie particella-antiparticella per produrre la Z e+ e-  Z Osserviamo la Z decadere in coppie particella-antiparticella Z  e+ e- Z  + - Z  + - e+ e- Z e+ e- Z f f Le forze hanno origine dallo scambio di una particella detta bosone tra le particelle di materia (quarks e leptoni) Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07

La fabbrica di e+ ed e-: LEP E=mc2: si fanno collidere fasci di e+ ed e- con E=mZc2 In pratica E(e-)=E(e+)=½ mZc2 LEP Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07

14/06/2004  7 km 50100m In a tunnel roughly 50m underground the particles are accelerated to an energy of about 100 billion electron volts compared to the 20,000 electron volts in our televisions. Travelling at close to the speed of light take about 100ms to make one circuit. Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07

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Il rivelatore OPAL e+ e- B (p=qBR) 14/06/2004 The detector is so big (12x12x12 m3) for two main reasons, both coming from the need to measure particle momenta and energies precisely. In the central tracking detectors, we measure the momentum of charged particles by how much the particle paths bend in the central magnetic field. For the highest energy particles produced at LEP1 the total bending over the 2m radius of the jet chamber is only about 2.6 cm. We need to measure this distance well to measure the particle momentum well. When a hadron interacts in the detector, the typical length of the resulting shower depends on energy, and the density of the material. We can measure the energy of a hadron properly only if we detect most of the shower. We use dense materials in the calorimeters (lead-glass, iron) but even so the highest energy showers need about a metre depth of material to completely absorb them. Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07

y x Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07

Una “fetta” di OPAL: tracking 14/06/2004 All the tracking detectors work by observing the ionization of atoms by charged particles passing by: when the atoms are ionized, electrons are knocked out of their atomic orbitals, and are then able to move freely in the detector. These ionization electrons are detected in the different parts of the tracking system 1.8 m y x Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07

Una “fetta” di OPAL: calorimetri 14/06/2004 3.4 m The calorimeters are made of high density material, and they are designed to stop most of the particles originating from the electron-positron interaction. When electrons, photons or hadrons stop in the material of the calorimeters, they give rise to showers. We can measure the energy of the incoming particle from the properties of these showers. The main electromagnetic calorimeters are mostly made of lead-glass blocks, and they cover nearly all angles from the beam direction. Most particles produced in the electron-positron collisions are absorbed in the electromagnetic calorimeters. OPAL's electromagnetic calorimeter system measures the energies and positions of electrons, positrons and photons. It is a total absorption calorimeter mounted between the coil and return yoke of the magnet. The barrel and endcap lead glass systems together cover 98% of the solid angle. Since particles must traverse about 2 radiation lengths of material (mostly due to the magnet coil and pressure vessel) before reaching the calorimeters, most electromagnetic showers start before reaching the lead glass. The presamplers are used to measure the amount of showering in the coil to improve energy resolution. In addition, their high granularity helps improve the neutral pion / photon and the electron / hadron discrimination The barrel lead glass calorimeter, consists of a cylindrical array of 9440 lead glass blocks of 24.6 radiation lengths, located at a radius of 2455 mm, outside the magnet coil, covering the full azimuthal angle and |cos(theta)| < 0.82. The calorimeter is instrumented with magnetic field tolerant phototubes. The logitudinal axes of the lead glass blocks point towards the interaction regoin to minimize the probability of a particle traversing more than one block. However, the blocks are tilted slightly from a perfectly pointing geometry to prevent neutral particles from escaping through the gaps between the blocks. In the z direction, the calorimeter is segmented into 59 blocks. In the phi direction, the calorimeter is segmented equally into 160 blocks. Here you can see an image of the lead glass. The hadron calorimeter lies outside the electromagnetic calorimeter. It is largely made of iron, and it catches particles or energy which has penetrated through the electromagnetic calorimeter. The hadron calorimeter measures the energy of hadrons emerging from the electromagnetic calorimeter and assists in the identification of muons. The iron of the magnet return yoke provides 4 or more interaction lengths of absorber over a solid angle of 97% of 4-pi. The yoke is segmented into layers, with planes of detectors between each layer, and forms a cylindrical sampling calorimeter about one meter thick. To acheive coverage in solid angle, the hadron calorimeter is constructed in three parts: The barrel hadron detector consists of 9 layers of chambers, alternating with 8 iron slabs, and spans radii from 3.39 meters to 4.39 meters. The slabs are 100 mm thick with 25 mm gaps. It is closed at each end by a doughnut-shaped endcap, where 8 layers of chambers alternate with 7 slabs of iron. Here the slabs are 100 mm thick with 35 mm gaps. Since there is a high probability of hadronic interactions being initiated in the 2.2 interaction lengths of material before the hadron calorimeter, the overall hadronic energy has to be determined by combining signals from the electromagnetic and hadronic calorimeters. 2.4 m y x Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07

Una “fetta” di OPAL: rivelatori di  14/06/2004 On the outside of the detector lies the muon system. The muon detectors are gas-filled chambers which detect the passage of charged particles, similarly to the central tracking detectors. Muons are very penetrating particles, and are the only ones which normally pass right through the detector as far as the muon system: so we can tell if a muon was present by looking for signals in these muon detectors. The barrel part of the muon detector consists of 110 large-area drift chambers. Each chamber is 1.2 meters wide and 90 mm deep. Forty-four chambers are mounted on each side of the barrel, ten in the top module and twelve in the bottom module. 4.4 m y x Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07

Un esperimento per studiare il bosone Z 14/06/2004 Forza Bosone Gravità gravitone Elettromagnetismo fotone () Forza nucleare debole Z,W+,W- Forza nucleare forte gluoni Studiare il bosone Z significa: misurare la massa misurare “quanto vive” studiarne i possibili decadimenti  Analisi di 1000 eventi raccolti dal rivelatore OPAL e visualizzati da un ED Le forze hanno origine dallo scambio di una particella detta bosone tra le particelle di materia (quarks e leptoni) c*Tau=8E-17 m Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07

3. “HANDS-ON” Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07

Come OPAL “vede” le particelle Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07

Un muone 14/06/2004 Il muone è la sola particella che abbia alta probabilità di passare attraverso tutti i calorimetri e di rilasciare un segnale nelle camere per muoni. I muoni sono le sole partecelle che abbiano alta probabilita' di passare attraverso tutti i calorimetri e di rilasciare dei segnali nelle camere per muoni. I segnali prodotti dalla particella nelle camere per muoni sono mostrati come crocette gialle e frecce rosse nelle immagini seguenti. Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07

Intermezzo: le unità di misura Energia eV Massa (E=mc2  m=E/c2) eV/c2 Quantità di moto (T=p2/2m  p= √2mT) eV/c Nella fisica delle particelle si pone c=1  E,m,p espresse tutte in eV! Le particelle si muovono a velocità vc Dalla relazione E=mc2  Epc In pratica confonderemo l’energia delle particelle con la loro q.d.m. NB: E(e-)=E(e+)=½ mZ  p(e-)+p(e+)=0 Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07

Intermezzo: le unità di misura Energia: eV energia di un elettrone accelerato da una d.d.p. di 1 V (1 eV =1.6 x10-19 J) elettroni nel tubo catodico del televisore E=20 keV (k= 103) Massa (ricordate E=mc2 !): eV/c2 1 protone: mp=1.672 x10-27 kg oppure mp=938 MeV/c2 (M=106) o anche mp=1 GeV/c2 (G=109) Quantità di moto: eV/c Energia cinetica T=½mv2, q.d.m. p=mv T=p2/2m  1 mosca (1g) a 1 km/h: p=5x1023 eV/c Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07

Un elettrone 14/06/2004 L’elettrone perde tutta la sua energia nel calorimetro elettromagnetico la q.d.m. associata alla traccia della particella carica deve essere simile all'energia depositata (stesso colore). non ci sono depositi di energia nel calorimetro adronico nè segnali nelle camere per muoni. Un elettrone perde tutta la sua energia nel calorimetro elettromagnetico. Questo fatto comporta due conseguenze che ci permettono di identificare gli elettroni. La quantità di moto associata alla traccia della particella carica deve essere simile all'energia depositata nel punto dove essa colpisce il calorimetro elettromagnetico. (Ovvero la traccia e il deposito di energia rilasciato nel calorimetro elettromagnetico devono essere disegnati con lo stesso colore). L'elettrone non produce un deposito di energia nel calorimetro adronico e non da' segnale nelle camere per muoni. Ecco tre esempi di elettrone. Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07

Un quark? Un adrone! 14/06/2004 Un quark di alta energia produce un grappolo (o "jet") di particelle che viaggiano nella direzione del quark originale la q.d.m. della traccia carica osservata è di solito maggiore dell'energia depositata nel punto in cui la particella colpisce il calorimetro adronico. non è prodotto alcun segnale nelle camere per muoni talvolta, ma non sempre, è visibile anche un deposito di energia nel calorimetro elettromagnetico. Gli adroni sono particelle costituite da quark, antiquark e gluoni. Possiamo identificare i segnali prodotti dagli adroni nel modo seguente: La quantità di moto della traccia carica osservata e' generalmente maggiore dell'energia depositata nel punto in cui la particella colpisce il calorimetro elettromagnetico. Non e' prodotto alcun segnale nelle camere per muoni Talvolta, ma non sempre, e' visibile anche un deposito di energia nel calorimetro adronico. I segnali prodotti dagli adroni sono pertanto un po' meno chiari di quelli prodotti dagli elettroni e dai muoni. Tuttavia, se sei incerto, prova a chiederti: Questa particella e' un elettrone? Questa particella e' un muone? Se la risposta a queste due domande e' no,allora puoi certamente pensare che si tratti di un adrone! Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07

La classificazione dei decadimenti Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07

Decadimenti del bosone Z 14/06/2004 Osserviamo la Z decadere in coppie particella-antiparticella Z  e+ e- Z  + - Z  + - NB: negli eventi che analizzeremo lo stato finale prodotto nel decadimento della Z contiene solo particella ed antiparticella Le forze hanno origine dallo scambio di una particella detta bosone tra le particelle di materia (quarks e leptoni) y e+ x e- Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07

Z  + - 14/06/2004 Due tracce di grande q.d.m. che hanno la stessa linea di volo ma viaggiano in direzione opposta e che rilasciano segnali nelle camere per muoni. Eventi in cui viene prodotta una coppia muone-antimuone sono di facile identificazione. Possiamo vedere una coppia di tracce di alto momento (quantità di moto) che hanno la stessa linea di volo ma viaggiano in direzione opposta e che rilasciano dei segnali nelle camere per muoni. Ecco una coppia di eventi di questo tipo. Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07

Z  e+ e- 14/06/2004 Due tracce che si allontanano lungo la stessa linea di volo e che puntano ciascuna ad un deposito di energia nel calorimetro elettromagnetico. Gli eventi in cui e' prodotta una coppia elettrone-positrone sono facilmente identificabili. Infatti essi sono costituiti da due tracce che si allontanano lungo la stessa linea di volo e che puntano ad un accumulo di energia nel calorimetro elettromagnetico. Ecco una coppia di eventi di questo tipo. Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07

14/06/2004 Coppia di "jet" aventi la stessa direzione di volo ma verso opposto. Vedremo perciò un certo numero di tracce cariche ed energia depositata sia nel calorimetro elettromagnetico sia nel calorimetro adronico. Un quark di alta energia produce uno sciame (o "jet") di particelle che viaggiano nella direzione del quark originale. E' proprio questo sciame di particelle (e non il quark originale) che noi riveliamo nel nostro rivelatore. Quando uno Z0 decade producendo una coppia quark-antiquark aventi la stessa linea di volo ma direzione opposta, ci aspettiamo di vedere nel rivelatore una coppia di "jet" aventi la stessa direzione di volo ma direzione opposta. Vedremo percio' un certo numero di tracce cariche e dell'energia depositata sia nel calorimetro elettromagnetico che nel calorimetro adronico. Ecco una coppia di esempi. Nota che talvolta ci possono essere alcune particelle che sono prodotte a grande angolo rispetto ai due jet. Tuttavia, queste particelle in genere hanno momento (quantità di moto) molto piccolo (in questo evento si vede dal fatto che hanno colore giallo o verde). Le particelle di alto momento tendono ad avere piccolo angolo rispetto all'asse del jet. Qualche volta un jet puo' contenere, oltre agli adroni, anche un elettrone o un muone, come si puo' notare nel secondo esempio Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07

… ed i leptoni ? I leptoni  “viaggiano” solo una frazione di millimetro dopodichè decadono in altre particelle (non vediamo i  nel nostro rivelatore!) 17% e 17%  I neutrini non sono rivelati ma portano via con sè una frazione dell’energia del  Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07

… ed il restante 66%? Il restante 66% dei  decade producendo un neutrino e uno o più adroni 50% 1 adrone carico 16% 3 adroni carichi Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07

Z + - 14/06/2004 Il restante 66% dei tau decade producendo un neutrino e uno o piu' adroni. Nel 50% dei casi viene prodotto un solo adrone carico e nel 16% tre adroni carichi. Nell'esempio seguente il tau e' decaduto producendo tre adroni carichi e l'antitau e' decaduto producendo un singolo adrone carico Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07

Z + - oppure Z  + - ? 14/06/2004 Consideriamo ora una classe di eventi particolarmente difficili da identificare correttamente. Che cosa succede se un tau decade producendo un muone e un antitau decade producendo un antimuone? Nel nostro rivelatore osserviamo una coppia muone-antimuone aventi la stessa linea di volo ma direzione opposta. Come possiamo distinguere questo evento da uno in cui uno Z0 decade direttamente in una coppia tau-antitau? Ricorda che il tau decade in muone accompagnato da due neutrini (guarda il diagramma del decadimento del tau qualche riga piu' sopra) e percio' l'energia iniziale del tau e' ripartita tra i due neutrini e il muone. Percio' il momento (quantità di moto) di un muone proveniente dal decadimento del tau e' minore del momento di un muone prodotto quando uno Z0 decade direttamente in una coppia muone-antimuone. L'evento mostrato e' proprio di questo tipo. Nota che, in questo caso, entrambi i muoni hanno momento minore di 16 GeV. Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07

EXTRA SLIDES Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07

Massa e larghezza del bosone Z Misura di mZ e Z= ћ/ Z a partire dalla misura della curva di eccitazione (risonanza) del processo e+e-  f f̅ in funzione dell’energia del CM (√s) Numero di famiglie di neutrini leggeri (m< ½mZ) N=2.9840±0.0082 Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07