Fisica delle Particelle Elementari Mario Paolo Giordani Università degli Studi di Udine Masterclass 2007
Atomo di carbonio (12C): 6 n = udd Il Modello Standard QUARK LEPTONI m [MeV/c] Q [e] +2/3 –1/3 –1 6 p = uud Atomo di carbonio (12C): 6 n = udd 6 e 29.03.2007 Mario Paolo Giordani
I fermioni Componenti fondamentali della materia 1a generazione 27 Perchè 3 famiglie? Ce ne sono Altre? 29.03.2007 Mario Paolo Giordani
I bosoni Mediatori delle forze interazione = scambio di bosoni Forza Intensità Bosoni mediatori Avviene in: Forte Nucleare ~1 Gluoni (senza massa) Nuclei atomici Elettromagnetica ~10–3 Fotoni Livelli atomici Debole Nucleare ~10–5 W+,W–,Z0 (pesanti) Disintegrazione radioattiva Gravitazione ~10–38 Gravitoni (?) Corpi massicci 29.03.2007 Mario Paolo Giordani
Il problema della massa La massa: ruolo particolare nelle leggi dell’Universo principi della dinamica, meccanica celeste... Nonostante ciò, la sua origine rimane un mistero Come se la cava il Modello Standard? Osserviamo che: massa fermioni spesso trascurabile rispetto alle energie in gioco fermioni di diverse generazioni esibiscono comportamento simile la dinamica è regolata da precise simmetrie, ricavate in modo empirico interpretando i dati sperimentali Punto di partenza: teoria a fermioni privi di massa qualunque tentativo di conferire massa ai fermioni comporta inevitabilmente una violazione esplicita della simmetria e al collasso della teoria stessa 29.03.2007 Mario Paolo Giordani
Il meccanismo di Higgs Conferisce massa ai fermioni e bosoni del Modello Standard senza distruggerne la simmetria introduce ulteriori campi (particelle) nella teoria nel rispetto della simmetria originale tali campi interagiscono fra loro la loro interazione è descritta da una funzione (potenziale) il potenziale è simmetrico infiniti stati di vuoto possibili la scelta di uno stato di vuoto rompe la simmetria rottura spontanea della simmetria stato di vuoto = minima energia 29.03.2007 Mario Paolo Giordani
Il bosone di Higgs Risultato del meccanismo di Higgs: rottura spontanea della simmetria conferisce direttamente massa a Z0,W± ma non al fotone () prezzo da pagare: bosone di Higgs massiccio (auto-interazione) massa ignota (parametro libero) interazioni con il bosone di Higgs fermioni acquistano massa masse diverse = interazioni diverse candidato Higgs a LEP 29.03.2007 Mario Paolo Giordani
Fisica delle alte energie Perchè? Il bosone di Higgs è pesante Altre nuove particelle oltre l’orizzonte esplorato? Come? Collisioni fra particelle bersaglio fisso: energia in parte sprecata fasci incrociati: con fasci stabili √Efascio energia liberata nell’urto 2Efascio 29.03.2007 Mario Paolo Giordani
Il CERN Comitato Europeo per le Ricerche Nucleari Lo statuto del CERN recita: L’Organizzazione deve realizzare la collaborazione tra gli Stati Europei per la ricerca nucleare di carattere strettamente scientifico e fondamentale e per ricerche strettamente connesse ad essa. L’Organizzazione non deve essere coinvolta in attivita’ di natura militare ed i risultati ottenuti dalle ricerche effettuate devono essere pubblicati o comunque resi pubblici. 29.03.2007 Mario Paolo Giordani
Gli Stati membri 20 Stati membri Osservatori: Israele, Turchia, USA, Giappone, Russia 29.03.2007 Mario Paolo Giordani
Il Laboratorio 29.03.2007 Mario Paolo Giordani
Il Large Hadron Collider (LHC) tunnel di 27km di circonferenza fasci incrociati di protoni a 7TeV 2835 pacchetti per fascio 1011 protoni per pacchetto incrocio dei fasci ogni 25ns (40MHz) 1GHz di collisioni protone-protone dimensione rivelatore: 45mx25mx25m l’energia cinetica di... un protone a 7TeV = zanzara in volo fascio a 7TeV = Boeing 777 in decollo 29.03.2007 Mario Paolo Giordani
LHC dall’interno... 29.03.2007 Mario Paolo Giordani
Le collisioni elastiche Collisione elastica: entrambi i protoni riemergono intatti dall’urto i protoni si comportano come particelle elementari molto frequente (elevata probabilità) effetti concentrati in direzione dei fasci 29.03.2007 Mario Paolo Giordani
Le collisioni anelastiche Collisione anelastica: disintegrazione dei protoni iniziali l’urto effettivo avviene fra due quark non tutta l’energia dei protoni partecipa all’urto nuove particelle possono emergere dall’interazione eventi più centrali 29.03.2007 Mario Paolo Giordani
I rivelatori di LHC CMS 29.03.2007 Mario Paolo Giordani
A Toroidal Lhc ApparatuS (ATLAS) http://atlas.web.cern.ch/Atlas 108 Canali elettronica 7000 t Peso 22 m Diametro 44 m Lunghezza 150 istituzioni 1800 scienziati 29.03.2007 Mario Paolo Giordani
Interazioni radiazione-materia Condizionano la risposta dei rivelatori ogni particella caratterizzata da una “firma” metodi di identificazione di particelle e g elettroni & fotoni n neutrini jet quark & gluoni. muoni acciaio calorimetro adronico solenoide dispositivo di tracciatura camere a muoni elettromagnetico 29.03.2007 Mario Paolo Giordani
Il processamento del segnale 1000 particelle prodotte per evento eventi su nastro: 100Hz eventi in entrata: 100MHz 29.03.2007 Mario Paolo Giordani
La ricostruzione di un evento Tevatron: 2TeV LHC: 14TeV 29.03.2007 Mario Paolo Giordani
Analisi statistica dei dati Gli eventi ricostruiti vengono analizzati diverse variabili studiate su base statistica quantità osservate comparate con la teoria massiccio uso delle tecniche di simulazione (Monte Carlo) Esempio: ppHZZµµµµ H Z p + - diverse ipotesi di segnale fondi dominanti 29.03.2007 Mario Paolo Giordani
Alla ricerca del segnale Quale segnale? In generale un’evidenza di collisione anelastica Ad esempio: Oppure: un bosone di Higgs prodotto ogni 1011 eventi Come cercare un ago in un pagliaio... Processo Eventi/s Eventi/y bb 106 1012 Zee ~3 107 We ~30 108 WWeX 10-2 6103 tt ~2 H(700 GeV) 210-3 104 29.03.2007 Mario Paolo Giordani
Cercando il bosone di Higgs... Il bosone di Higgs può manifestarsi in molti modi Lo stato finale dipende: dal processo di produzione dal modo di decadimento “Canali dorati” (come ppHZZµµµµ) stati finali difficilmente imitabili dal fondo solo tracce con pT>25GeV/c 29.03.2007 Mario Paolo Giordani
...che cosa impareremmo da LHC? Ipotesi 1: il bosone di Higgs viene scoperto N-esima conferma del Modello Standard misura della sua massa è compatibile con i vincoli del modello? misura delle sue proprietà nuova era di misure di precisione Ipotesi 2: il bosone di Higgs non si trova il Modello Standard va in crisi necessario studiare una nuova teoria In ogni caso: la fisica delle alte energie non finisce qui... ...e nemmeno il compito dell’LHC 29.03.2007 Mario Paolo Giordani
Oltre il Modello Standard Il Modello Standard sopravvive dal 1967 innumerevoli test di precisione nessuna discrepanza significativa unico “problema”: bosone di Higgs ancora evanescente Tuttavia, non è una vera teoria... numerosi parametri liberi per adattarsi alla realtà ...né può considerarsi definitivo nessuna descrizione della gravità alcune perplessità teoriche ancora insolute Diverse idee per spingersi oltre 29.03.2007 Mario Paolo Giordani
La Supersimmetria Prevede un ampliamento della simmetria Simmetria radiazione – materia Risolve i problemi del Modello Standard ma richiede l’esistenza di una famiglia di bosoni di Higgs consente l’integrazione della gravità Inoltre: suggerisce una soluzione al problema della materia oscura unificazione delle forze come conseguenza robusta da un punto di vista teorico Tuttavia: spettro più che raddoppiato nessuno stato supersimmetrico è stato scoperto la supersimmetria – se esiste – è violata 29.03.2007 Mario Paolo Giordani
Le extra-dimensioni Prevede uno spazio con più di 4 dimensioni Il Modello Standard vive nello spazio ordinario Solo la gravità penetra le extra-dimensioni Gravità intensa come le altre forze fattore di diluizione dovuto alle extra-dimensioni Prevede il gravitone (bosone mediatore della gravità) interagisce con le particelle ordinarie 29.03.2007 Mario Paolo Giordani
La grande unificazione (GUT) 29.03.2007 Mario Paolo Giordani
La nuova frontiera LHC: una vera macchina da scoperta Energia mai raggiunta prima Possibili eventi spettacolari creazione e decadimento di un buco nero 29.03.2007 Mario Paolo Giordani