La ricerca del bosone di Higgs e l’esperimento ATLAS Silvia Ventura INFN - LNF 05/10/2005

 Il Modello Standard Cos’e’? I successi del Modello Standard Cosa manca?  Come si producono le particelle? L’acceleratore LHC del CERN  Come si “vedono” le particelle? I tracciatori I calorimetri  L’ esperimento ATLAS Un esempio di analisi: H  4 Sommario

Il Modello Standard (MS) Il Modello Standard è la teoria fisica che riassume tutte le attuali conoscenze nel campo delle particelle elementari e delle forze che ne regolano le interazioni fondamentali.particelle elementari Una particella e’ elementare se non e’ composta da altre particelle! …le particelle elementari, ossia i costituenti fondamentali della materia sono leptoni (divisi in 3 famiglie) 6 quark (divisi in 3 famiglie) + 12 anti-particelle! Le particelle di materia sono FERMIONI ossia particelle di spin 1/2 PER QUANTO NE SAPPIAMO OGGI…

Interazionesensibile abosone mediatore intensita’raggio d’azione ELETTROMAGN.carica elettricaleptoni carichi + quarkfotone10 -2 infinito DEBOLEcarica debole o “sapore” leptoni + quarkW+,W-,Z FORTEcarica forte o “colore” quark8 gluoni GRAVITAZIONALEmassatrascurabile per tutte le particelle elementari gravitone infinito Le interazioni fondamentali Le interazioni fondamentali sono 4, sono il risultato dello scambio dei cosi detti “MEDIATORI” dell’interazione, BOSONI (spin=1) Electromag.  

...e le altre particelle? Alla fine degli anni 60 erano state scoperte circa 50 particelle, troppe per essere tutte elementari! In realta’ si trattava di particelle composte da quark legati: gli ADRONI! Secondo la QUANTOCROMODINAMICA i quark non possono esistere come particelle libere ma si combinano in modo da formare particelle neutre dal punto di vista del colore! Particelle composte da 3 quark sono dette BARIONI Particelle composte da 2 quark sono dette MESONI

 neutrino   muone c charm strange s t top  tau  neutrino  b bottom e elettrone e neutrino e d down u up 1 Gev ~ protone  0 0  0 QUARKSQUARKS LEPTONILEPTONI  0 0 Le masse dei fermioni

L’origine delle masse: il bosone di Higgs Nel 1968 S.Weinberg, A.Salam e S.Glashow crearono una teoria di campo secondo la quale l’interazione elettromagnetica e quella debole sono in realta’ manifestazioni diverse di un’unica interazione: l’interazione elettrodebole. Ma allora perche’ m  =0 e m Z0 =90 GeV? Nel Modello Standard l’origine delle masse viene spiegata tramite la rottura spontanea della simmetria elettrodebole a opera di un campo scalare: il campo di Higgs. Le masse dei quark, dei leptoni e dei bosoni vettori deboli sono tutte interpretate come il risultato dell'interazione con il campo di Higgs. m f /v m 2 W,Z /v m 2 /v  m 2 H /v 2 H ?

La massa del bosone di Higgs! Da misure sperimentali indirette (misure di precisione sui parametri elettrodeboli a LEP2, Tevatron, SLAC) si ha : M H <251 GeV/c2 (95% C.L.) Da ricerche sperimentali dirette (misura combinata degli esperimenti di LEP2) si ha: M H >114.4 GeV/c2 (95% C.L.) Il bosone di Higgs e’ l’ultimo tassallo mancante del Modello Standard… l’unica particella predetta dal Modello Standard che non sia ancora stata osservata! Se esiste, quanto vale la massa dell’Higgs?

I successi del Modello Standard 1984 : Scoperta dei Bosoni vettori W e Z 0, all’esperimento UA1 al CERN Nobel Carlo Rubbia 1995 : Scoperta del quark top Tutte le misure effettuate fino ad oggi da numerosi esperimenti in tutto il mondo, sono consistenti con le predizioni di questo modello Dalla misura della larghezza dello Z 0 si e’ avuta anche conferma che le famiglie di quark sono 3!

I limiti del Modello Standard Troppi parametri liberi. Perche’ ci sono tre generazioni di quark e tre di leptoni? Perche’ le masse sono cosi diverse? Il Modello standard non comprende la descrizione della gravita’. Non fornisce una spiegazione per la cosi detta materia oscura. Il problema della gerarchia: assumendo che il MS abbia un Higgs di 200 GeV e che sia valido fino a scale dell’ordine 10 TeV, la massa dell’Higgs riceve correzioni dovute a loop al secondo ordine quadraticamente divergenti: Tuttavia il Modello Standard e’ e rimane uno dei grandi successi della fisica delle particelle elementari!!! Il Modello Standard funziona bene a basse energie!

Come si producono le particelle? Le particelle vengono prodotte facendo urtare particelle tra loro a energie molto elevate. Esperimenti a targhetta fissa: Esperimenti a fasci collidenti: E = sqrt(E beam ) = 29 GeV E = 2E beam = 900 GeV EE si puo’ modificare l’energia, impulso e direzione delle particelle incidenti o, se si ha abbastanza energia (E=mc 2 ), creare nuove particelle

The Large Hadron Collider LHC è un anello di 4.3 Km di raggio (27 Km di circonferenza), dove saranno accelerati e fatti collidere frontalmente, in quattro zone di interazione, fasci di protoni con energia di 7 TeV, ossia un energia circa un milione di volte quella che lega fra loro i protoni nel nucleo. Quando sara’ finito LHC sara’ l’acceleratore piu’ grande e potente del mondo!

The Large Hadron Collider Energia dei fasci 7 TeV Numero di bunch 2835 Protoni in un bunch Frequenza di Bunch Crossing 40MHz una ogni 25 ns Interactioni/Crossing 23 Luminosita’ low: 2x10 33 cm -2 s -1 high: cm -2 s -1

Le particelle vengono rivelate facendole interagire con opportuni materiali. Date le caratteristiche specifiche delle diverse particelle, i rivelatori moderni sono costituiti da una struttura “a cipolla” in cui ogni strato e’ ottimizzato alla rivelazione di una particolare classe di particelle. Come si vedono le particelle?

m, P, E m, P 1, E 1 m, P, E + - B Rivelatori di particelle (1) TRACCIATORI  Un tracciatore determina la traiettoria delle particelle cariche  Se immerso in un campo magnetico B si riescono a determinare anche la carica Q ed il momento P  La particella subisce una minima perdita d’energia nel sistema  Un calorimetro misura invece l’energia che la particella rilascia al suo interno  In questo caso la particella viene quasi completamente assorbita  Il segnale è proporzionale alla sua energia: S = K E CALORIMETRI

Per determinare la traiettoria di una particella carica si usano generalmente rivelatori a gas. Con rivelatore a gas si intende una regione di spazio riempita da un gas compresa tra due elettrodi cui e’ applicata una differenza di potenziale. IONIZZAZIONE: gli urti con gli atomi del gas fanno si che si crei una coppia ione-elettrone “ionizzazione primaria”, un elettrone primario a sua volta, se sufficientemente energetico puo’ urtare altri atomi e liberare elettroni secondari “ionizzazione secondaria” ______________ elettroni ioni particella carica I tracciatori dE dx   =  4  N A r e 2 m e c 2 z 2 1/2 ln T max  2  Z A2A2 2m e c      I2I2     PERDITA DI ENERGIA PER IONIZZAZIONE 

Un esempio di tracciatore: la camera a fili di KLOE La camera a fili di KLOE e’ costituita da fili sensibili e fili di campo!!!! E’ immersa in un campo magnetico solenoidale che curva le tracce sul piano trasverso ai fasci collidenti!

E0E0 I calorimetri elettromagnetici rivelano elettroni, positroni e fotoni al di sopra dei 100 MeV circa. In tali rivelatori si sfrutta l'assorbimento dell'energia degli sciami elettromagnetici prodotti dalla radiazione incidente X 0 = LUNGHEZZA DI RADIAZIONE, distanza entro la quale un fotone crea una coppia e+e-, e un elettrone emette un fotone. Per ogni X 0 il numero di particelle raddoppia, l’energia di ognuna dimunuisce di un fattore 2: Il processo va avanti fino a quando E>Ec. Calorimetri elettromagnetici (1)

Calorimetri elettromagnetici (2) E e-e- S Calorimetri omogenei: tutto il materiale e’ sia assorbitore che parte attiva l’energia misurata e’ tutta quella depositata buona risoluzione in energia Calorimetri eterogenei: strati alternati di materiale assorbitore e materiale attivo l’energia misurata non e’ tutta quella rilasciata buona risoluzione spaziale I calorimetri adronici misurano l’energia rilasciata dagli adroni al loro interno per interazioni con materiali pesanti Hanno dimensioni maggiori dei calorimetri em perche’ gli sciami adronici hanno dimensioni maggiori! EMHAD ,  0 n, p,  , K

IL RIVELATORE ATLAS calorimetro adronico spettrometro a muoni rivelatore interno toroide del barrel solenoide calorimetro elettromagnetico calorimetro in avanti toroide dell’endcap schermatura dalle radiazioni 46 m 23 m

Il tracciatore interno di ATLAS (1) PIXEL VERTEX DETECTOR 3 strati di pixel di silicio (50x300 e 50x400  m 2 ), con risoluzione per punto ~10  m (trasversale) e ~  m (longitudinale) SEMI CONDUCTOR TRACKER 4 doppi strati di microstrip di silicio (passo 80  m, angolo stereo 40 mrad), con risoluzione ~20  m (trasversale) e ~550  m (longitudinale) TRANSITION RADIATION TRACKER Con doppia funzione di rivelatore di particelle cariche e della radiazione di transizione emessa dagli elettroni. i rivelatori devono avere una grande granularità perchè la probabilità di avere due particelle sullo stesso elettrodo (occupancy) sia ridotta sotto pochi percento

Calorimetro a campionamento assorbitore di Pb (2.1 mm) materiale sensibile Argon liquido elettrodi di kapton per raccogliere il segnale prodotto dalla ionizzazione dell’Argon Il calorimetro elettromagnetico di ATLAS Ermeticità: la geometria con elettrodi e assorbitori piegati a ‘fisarmonica’ garantisce una copertura totale senza zone morte nella coordinata azimutale

Il calorimetro elettromagnetico di ATLAS Un fotone visto dal calorimetro di ATLAS …e un elettrone…

 P: misura della curvatura del muone in campo magnetico attraverso tre stazioni di misura: Inner – Middle – Outer  Le stazioni per il tracciamento sono arrangiate in 3 strati cilindrici nel barrel e 3 ruote piane negli endcap.  Ogni stazione fornisce la misura della traiettoria del muone con una precisione di ~40 m ALCUNI NUMERI: Numero totale di camere 1194 Numero di canali di elettronica Volume del gas 800 m 3 Area complessiva 5500 m 2 Siti di produzione delle camere 13 (in 7 paesi) Inner Middle Outer Middle Outer Inner  -track Z R Lo Spettrometro a muoni di ATLAS (2)

Diameter: 30 mm Thickness:400 m Lenght: da 70 a 630 cm Wire thickness: 50 m Gas: Argon 93% CO 2 7% HV: 3080 V Proportional regime Gain: 2×10 4 Gas pressure: 3 bar 20  m di tolleranza sulla posizione dei fili all’interno della camera Una camera MDT consiste di 6 (8 nella stazione interna) strati di tubi a deriva. Gli strati sono organizzati in due “multilayer” separati da un supporto. Le camere MDT (Monitored Drift Chambers) I Laboratori Nazionali di Frascati hanno dato un contributo fondamentale sia alla progettazione che alla costruzione delle camere MDT di ATLAS. 94 camere della stazione centrale del barrel sono state costruite in questi laboratori!

La misura della posizione in cui e’ passata la particella ionizzante e’ data dalla misura del tempo tra l’istante in cui la particella e’ passata e l’istante in cui si genera il segnale sul filo. t mis =t der +t prop +t 0 t der = tempo di drift degli elettroni di ionizzazione t prop = tempo di propagazione del segnale lungo il filo t 0 = serve a equalizzare il tempo misurato nei vari canali SPETTRO DEI TEMPI t 0  inizio dello spettro dei tempi, indipendente dalle caratteristiche di drift del tubo Comprende i ritardi dell’elettronica di lettura in generale e’ diverso da tubo a tubo. t 1  fine dello spettro dei tempi, dipendente dalle caratteristiche di drift del tubo Misura di posizione (1)

La misura di tempo viene in seguito convertita in misura di posizione tramite la conoscenza di una relazione spazio-tempo, ossia conoscendo la VELOCITA’ di deriva. Tempi (ns) Raggi (mm) Problema: non si conosce esattamente la velocita’ degli elettroni nel gas. Viene determinata tramite un processo di AUTOCALIBRAZIONE Misura di posizione (2)

1. Si misurano tre tempi, t mis 2. Si usa una R-T di partenza e si ottengono tre raggi, r mis = R(t mis ) ossia tre “cerchi di deriva” 3. Si cerca la “miglior retta” tangente ai tre cerchi 4. Si calcolano i residui: 5. Si corregge la R-T di partenza con il valore medio dei residui per ogni intervallo di raggio. 6. La R-T corretta viene usata per calcolare nuovi cerchi di deriva. 7. La sequenza viene ripetuta in modo iterativo finche non si ottiene una precisione di 20 m. Metodo per calcolare la R-T relation usando la traccia stessa. R = R mis (t) – R fit AUTOCALIBRAZIONE RmisRmis R fit

Il singolo tubo riesce a determinare la posizione in cui e’ passata la traccia con una precisione media di 80 m 80 m Risoluzione spaziale RISOLUZIONE nella MISURA dell’IMPULSO Intrinsic MS E-loss Total La risoluzione sulla misura dell’impulso e’ influenzata da: 1. Fluttuazioni sulla perdita di energia rilasciata nei materiali prima dello spettrometro (pt<20GeV) 2. Contributo del multiplo scattering (20 GeV<pt<300GeV ) 3. Risoluzione sul singolo punto, calibrazione, allineamento delle camere (pt>300 GeV)

Fusione gluone-gluone Fusione dei Bosoni Vettori (VBF) Bremsstrahlung di W /Z Produzione associata a quark pesanti (t/b) NLO QCD Produzione dell’ Higgs a LHC Il processo dominante e’ la fusione g-g, per MH< 2MZ il processo VBF costituisce il 20% della sezione d’urto totale

Il potenziale di scoperta dell’Higgs di ATLAS Signal significance: rapporto tra il numero di eventi di segnale e la radice del numero di eventi di fondo Ad ATLAS il canale piu’ promettente per la scoperta dell’ Higgs e’: H ->ZZ*-> 4  con 130GeV ≤ mH < 2mZ

Come si studia un canale di fisica? (1)  Scegliamo un canale da studiare (H  ZZ  4  )  Studiamone le caratteristiche:  lo stato finale contiene 4 muoni complessivamente neutri  2 muoni vengono da uno Z 0 e altri 2 da un altro Z 0  le due Z 0 derivano dall’Higgs  la massa invariante del sistema dei quattro muoni sara’ uguale alla massa dell’Higgs!!!  Simuliamo gli eventi del canale da studiare per valutare l’efficienza di ricostruzione e la risoluzione sui parametri da misurare. Studiamo come il nostro rivelatore “vede” l’evento.  Studiamo TUTTE le possibili reazione che possono produrre eventi di fondo per il nostro segnale, ossia tutti i processi che danno luogo a 4 muoni come il nostro segnale. H Z0Z0 ++ -- ++ -- Z0Z0

Come si studia un canale di fisica? (2) Il fondo riducibile : Zbb  4 µ e tt  WbWb  4  processi che generano 4 muoni, ma non solo (in questo caso ci sono anche due quark b!) Il fondo irriducibile: ZZ*  4  e ZZ*  2  2   4  processi che generano 4 muoni e basta…esattamente come il segnale! I fondi riducibili sono facilmente separabili dal segnale, Per i fondi irriducibili cerchiamo di identificare tutte le variabili (distribuzioni angolari, distribuzioni in impulso, masse invarianti…ecc ecc) che sono diverse per il segnale e per i fondi, ossia…  Ottimizziamo i criteri di selezione degli eventi in modo da aumentare il rapporto segnale/fondo (senza restare senza segnale!)

All channels H ->ZZ*-> 4  Signal ZZ  4  ZZ  2  ttbar Zbb PRIMA DELL’ANALISI… DOPO L’ANALISI… Variabile usata per lo studio del canale H ->ZZ*-> 4  : MASSA INVARIANTE dei 4  …

Sommario Gli esperimenti della fisica delle particelle elementari sono diventati via via piu’ complessi: grandi dimensioni, frequenza degli eventi, numero di persone partecipanti agli esperimenti! La comunità delle alte energie mondiale sta facendo un salto di qualità enorme con la realizzazione di questi apparati. Stiamo per esplorare zone finora inesplorate, e speriamo di trovare oltre alle conferme che cerchiamo per le cose note......anche tante sorprese!!!

RISERVA

Range di basse masse (M H <130 GeV) H  bbar e H   Range intermedio (130<M H <2M Z ) H  WW*  l l e H  ZZ*  4 lep Range di alte masse (M H >2M Z ) H  WW  l jj H  ZZ  4 lep I decadimenti dell’ Higgs

Projective lines (RASNIK) Axial lines (RASNIK) PERFORMANCE: < 40 m on sagitta error due to chamber misalignment THE ALIGNMENT SYSTEM An optical system consisting of four RASNIK sensors is incorporated into the chamber structure to monitor the chamber positions in order to correct the track parameters. lens CCD mask  RASNIK technology: measure the relative position of a lens between a CCD and a target mask (optical line) CCD lens mask

I calorimetri di ATLAS

A: non tutta la carica e’ raccolta  ricombinazione. B: camera a ionizzazione, la carica raccolta è tutta quella prodotta. C: contatori proporzionali, il campo elettrico è sufficien= temente intenso (10 5 V/cm) da far acquistare agli elettroni primari energia cinetica sufficiente a ionizzare a loro volta il gas, moltiplicazione a valanga. La carica raccolta e’ proporzionale alla ionizzazione primaria. Si definisce guadagno del gas il rapporto: G = n/n 0 ~ 10 3, 10 4 Il limite sul guadagno e’ di 10 8 al di sopra del quale si perde proporzionalita’. D : proporzionalita’ limitata, le cariche prodotte nel gas creano un campo elettrico che si oppone a quello esterno (diminuendo il campo si favorisce la ricombinazione), perdita di proporzionalita’ per effetti quantistici (estrazione di elettroni dal catodo, fotoelettrico da parte di fotoni di diseccitazione) E: Geiger-Muller, la carica raccolta non è più proporzionale alla ionizzazione primaria; l’eccitazione e la successiva diseccitazione del gas produce una serie di scariche che danno luogo a valanghe distribuite su tutto il rivelatore. I tracciatori (3)

Rivelazione di fotoni, elettroni e positroni Un fotone intergaisce con la materia secondo tre meccanismi: XXX ee  Z e La creazione di coppie avviene solo per energie maggiori di 2 m e ed è il fenomeno dominante per E > 20 MeV. 1) Effetto foto-elettrico 2) Diffusione Compton 3) Produzione coppie e+ e- Un elettrone intergaisce con la materia secondo due meccanismi: 1)ionizzazione 2)bremsstrahlung EcEc e Ze e  La rivelazione di fotoni, elettroni e positroni si basa sulle loro proprieta’ di interazione con la materia: Gli elettroni irraggiano fotoni finchè la loro E non diventa minore dell’energia critica

MWPC (Camera Proporzionale a Molti Fili) ITC (ALEPH) Inner Tracking Chamber Spaziatura tra anodi (d) è 1 –2 mm Coordinata Z si determina con: - piani incrociati di fili - divisione di carica - tempo di arrivo (delay line) - induzione su strisce catodiche segmentate d xz Risoluzioni migliori:  x  100  m,  z  2-3 mm Ar 80% Isobutano 24.5% Freon 0.5%

La fisica di ATLAS I goal principali dell’esperimento ATLAS sono:  Scoperta del bosone di Higgs dello Standard Model attraverso il “golden channel” H  ZZ*  4canale dominante per m H >130 GeV  Scoperta dei bosoni di Higgs dello MSSM (Minimal Supersimmetric Standard Model) attraverso il canale H/A    New Vector Bosons (Z’,W’): Scoperta di nuove bosoni vettori di masse molto elevate, fino a qualche TeV;  Altro: B-physics, top-physics, EW physics… Molti dei canali di fisica piu’ interessanti comprendono muoni nello stato finale, importante raggiungere ottime capacita’ di misura dell’impulso di muoni energetici!!!

Lo Spettrometro a muoni di ATLAS (1)  capacità di trigger su eventi con uno o più  in un vasto range di p T (6 GeV,TeV);  resistenza ad un alto flusso di radiazioni. In atlas si contera’ un background fisico dovuto a neutroni, fotoni e particelle cariche di circa (10-100) KHz/cm 2  buona risoluzione nella misura dell’impulso migliore del 10% nell’intervallo tra 3 GeV e 1 TeV CAMPO MAGNETICO toroidale in aria (minimizza multiplo scattering) RIVELATORI DI POSIZIONE: ottima risoluzione sul singolo punto (80 m) 3 stazioni di misura TRIGGER con camere apposite resistive plate chambers con ottima risoluzione temporale 1-2 ns

ATLAS PIXEL…

ATLAS TRT: Modulo del Barrel piastra di supporto e allineamento straws matrice di radiatore contenitore in fibra di carbonio zoom della parte terminale di un modulo

Rivelatori di particelle (2) EFFICIENZA: probabilità che una particella venga rivelata una volta che essa penetra nel volume sensibile del rivelatore, ossia il rapporto  = N R  N I tra il numero di particelle segnalate dal rivelatore e il numero di particelle incidenti. RISOLUZIONE: la risoluzione di un rivelatore è legata alla capacità di distinguere valori differenti della grandezza da misurare. Una quantità frequentemente usata per caratterizzare la risoluzione è la larghezza a metà altezza della distribuzione di interesse. FUNZIONE DI RISPOSTA: la grandezza da determinare G e’ legata alla grandezza misurata M da una relazione funzionale del tipo G = f(M,Ki) che dipende da parametri Ki = costanti di calibrazione del rivelatore. CALIBRARE un rivelatore vuol dire cercare di avere la stessa risposta dal rivelatore alla stessa sollecitazione!