Masterclass 2011 L’esercizio Z ad ATLAS Lecce, 22 marzo 2011

Siamo alla vigilia di un’era avvincente con nuove grandi scoperte previste per la Fisica delle Particelle Elementari! L’esperimento ATLAS ha raccolto nel 2010 dati a un’energia nel centro di massa di 7 TeV. Oggi vedremo come ATLAS si comporta coi dati relativi alla produzione di una particella nota nel Modello Standard: il bosone Z LHC e la Nuova Fisica Al CERN di Ginevra, l’acceleratore LHC e i suoi grandi esperimenti stanno lavorando a questo scopo.

LHC è un acceleratore (collider) di protoni al CERN. È circolare, con diametro di 27 km. Si trova a ~100 m sotto il suolo al confine tra Francia e Svizzera LHC e la Nuova Fisica

Rivelatori di particelle per esperimenti ai collider Obiettivo: ricostruire le caratteristiche dello stato finale Dispositivi che producono un segnale ossevabile quando vengono colpiti da una particella, per effetto delle interazioni della particella con gli atomi o le molecole del mezzo attraversato. Segnale osservato: carica di ionizzazione, luce, raggi X etc. Segnali indotti ~sempre convertiti in segnali elettrici digitalizzati I rivelatori: Identificano la natura (massa/carica) delle particelle. Misurano il momento delle particelle cariche (traiettorie in campo magnetico). Misurano l’energia delle particelle neutre.

Tipica composizione di un apparato Cilindri concentrici che si sviluppano attorno all’asse dei fasci. Dall’interno all’esterno: Tracciamento Calorimetro electtomagnetico Calorimetro adronico Magneti* Camere per i muoni * Posizione e forma dei magneti dipendono dall’esperimento. Esperimenti ai collider

L’apparato di ATLAS

Animazione swfAnimazione swf (sul web)(sul web) L’apparato di ATLAS

L’apparato di ATLAS (Just for fun )

I fasci di particelle hanno un’energia di 3.5 TeV: 2 x 3.5 TeV = 7 TeV Le singole costituenti dei protoni (i quarks) hanno con sé solo una frazione di tale energia. Nella collisione si possono produrre nuove particelle la cui massa è sempre minore dell’energia totale disponibile Interazioni dei protoni

Le collisioni creano nuove particelle che decadono immediatamente. Le particelle che decadono producono sempre particelle più leggere. I decadimenti delle particelle obbediscono a definite leggi di conservazione (Energia, Momento, Carica, etc…) Decadimenti di particelle

Le collisioni dei fasci di protoni generano una grande quantità di particelle, è opportuno imparare a distinguere le particelle più interessanti da quelle meno interessanti, in un ambiente densamente popolato di particelle. Decadimenti di particelle

Noi,oggi, stiamo cercando il bosone Z, una particella neutra (cioè senza carica) che può decadere in due muoni oppure in due elettroni.* Decadimenti di particelle * La Z ha anche altri decadimenti... ma per oggi non ci interessano

Decadimento dello Z  Ogni singola particella Z deve decadere, ma è impossibile sapere in anticipo in quale tipo di particelle decadrà.  Tutto ciò che si può dire è che ha una certa probabilità di decadere in un certo tipo di particelle e le frequenze dei diversi tipi di decadimento possono essere calcolate teoricamente nel Modello Standard  Una particella Z può decadere in: due elettroni (Z 0 → e + + e - ) due muoni (Z 0 →  + +  - ) due particelle tau (Z 0 →  + +  - ) due neutrini (Z 0 → +  e      due quark (Z 0 → q + q ) (q=u,d,c,s,b ma non t che è troppo pesante) ~3,3 % ~20 % ~70 % ~10 % INVISIBILE!

Per identificare bene i decadimenti dello Z di cui siamo interessati ricordiamo bene come sono fatti!!! Decadimento dello Z e+e+ e-e- Z µ-µ- µ+µ+ Z * La Z ha anche altri decadimenti... ma per oggi non ci interessano

E’ importante non confondere i decadimenti del bosene Z con altri decadimenti tipo quelli del bosone W +/- !!! Altri decadimenti W ν ν W

Siamo interessati, quindi ad eventi con coppie muone- antimuone (“dimuone”) o elettrone-positrone (“dielettrone”), con alto momento trasverso pt Decadimento dello Z Sarà necessario fare dei “tagli” per eliminare le tracce con energia troppo bassa se vogliamo trovare le particelle che ci interessano.

Il Display di un evento in ATLAS Vista trasversa Vista longitudinale Depositi di energia nel calorimetro elettromagnetico

L’event display HYPATIA

Per esempio, se tagliamo tutte le tracce con energia (o momento) minore di 5 GeV, allora il l’evento diventa più chiaro. Tagli di cinematica per ripulire un evento

Analisi di eventi in ATLAS Cosa Vedete? Alcun segno di Elettrone o Muone? Energia mancante? Che tipo di evento potrebbe essere?

Analisi di eventi in ATLAS Cosa Vedete? Alcun segno di Elettrone o Muone? Energia mancante? Che tipo di evento potrebbe essere?

Analisi di eventi in ATLAS Cosa Vedete? Alcun segno di Elettrone o Muone? Energia mancante? Che tipo di evento potrebbe essere?

Analisi di eventi in ATLAS Cosa Vedete? Alcun segno di Elettrone o Muone? Energia mancante? Che tipo di evento potrebbe essere?

Analisi di eventi in ATLAS Cosa Vedete? Alcun segno di Elettrone o Muone? Energia mancante? Che tipo di evento potrebbe essere?

Analisi di eventi in ATLAS Cosa Vedete? Alcun segno di Elettrone o Muone? Energia mancante? Che tipo di evento potrebbe essere?

La massa invariante del Bosone Z Come facciamo a distinguere eventi con le stesse particelle nelle stato finale, ma genereti da particelle diverse? Per esempio: oppure da Le masse dei bosoni Z e Z ’ sono differenti!!! E’ necessario misurare la massa delle particelle attraverso l’impulso ed il momento delle particelle prodotte nel decadimento

La massa del bosone Z con ATLAS  La massa invariante non assume un singolo valore!  La larghezza di questa distribuzione dipende da due fattori La larghezza intrinseca della particella (tanto maggiore tanto è breve la vita media) La risoluzione del rivelatore nella misura delle particelle finali

Calcolo della massa invariante con Hypatia

Inseriamo ogni valore della “massa” in un istogramma. Si nota un picco, dove? È abbastanza ben definito? Qual è l’ampiezza? Si notano valori anomali? La “massa” è misurabile con quale precisione? Sugli istogrammi (1)

“Science is nothing but developed perception, interpreted intent, common sense rounded out and minutely articulated.” George Santayana  Le osservazioni indirette, l’immaginazione e il pensiero logico e critico, opportunamente combinati, conducono alle conclusioni giuste.  Pertanto: lavorate insieme, pensate (quando serve anche fuori dal coro), e siate critici su qualsiasi risultato abbiate davanti per capire cosa sta avvenendo davvero. Qualcosa da ricordare…

Fate pratica con eventi di esempio. Chiedete aiuto a noi se avete dubbi. Trovate candidati di decadimenti di Z (e altro!) Annotate nel foglio di calcolo le masse calcolate con Hypatia. Al termine metteremo assieme i valori in un istogramma e lo comunicheremo al CERN. Buon lavoro e buon divertimento! Ed ora analizziamo gli eventi!

Principi di conservazione  Energia di una particella a riposo  Energia di una particella in movimento  Energia e momento sono conservati

Formula teorica della massa del bosone Z o massa invariante  Dopo un pò di ginnastica ed applicando i principi di conservazione arriviamo alla formula della massa della Z  Nella formula compaiono le seguenti quantità  Massa  Energia  Momento  dei 2 prodotti di decadimento