25 anni verso la nuova fisica Marcello A. Giorgi Università di Pisa & INFN Pisa 19 Settembre , 2013

La Prima Volta ! Franco ci ha convocato e tutto e’ nato al castello Aragonese di Otranto con una riunione dei coordinatori dei dottorati in Fisica

La Prima Volta ! L’idea lanciata allora e’ un seminario per dottorandi in fisica di varie provenienze geografiche e culturali. Fino ad allora c’erano state scuole tematiche o settimane di studio itineranti spesso sostenute direttamente dall’INFN come la scuola di fenomenologia oppure le settimane di studio per borsisti INFN( quasi un sostituto dei dottorati). Nesssuna di queste iniziative e’ stata duratura. Personalmente all’inizio ero perplesso sul futuro della iniziativa salentina. Mi legava pero’ a Franco amicizia e stima reciproca lavoravamo insieme in ALEPH e questo era sufficiente. Franco con il gruppo barese era impegnato nel calorimetro adronico e nel riconoscimento dei muoni insieme a Gabriella Catanesi, Mauro De Palma, Giorgio Maggi, Sergio Natali, Salvatore Nuzzo, Antonio Ranieri, Federico Ruggieri, Pino Zito. Io impegnato nel rivelatore di vertice insieme a Giovanni Batignani, Luciano Bosisio, Massimo Carpinelli, Ettore Focardi, Francesco Forti, Giuliana Rizzo, Guido Tonelli , Giuseppe Triggiani.

La Prima Volta ! Era anche la prima volta che venivo nel Salento . E poi ho scoperto tante cose incluso la purea di fave e non solo…

La Prima Volta ! Era anche la prima volta che venivo nel Salento . E poi ho scoperto tante cose incluso la purea di fave e non solo… ..anche l’albero della vita e poi…

La Serra degli Alimini e l’idea di tenere gli studenti tutti insieme per tutto il tempo in una full immersion anche…

…in mare mi era parsa eccellente e simile all’idea che aveva convinto noi pisani a..

scegliere La Biodola all’isola d’Elba per la nostra serie di conferenze e per workshops dedicati Ma come verso la nuova fisica ? Il mio modesto contributo poche slides dalle mie ultime tre partecipazioni 2001 2006, 2011.

Le mie partecipazioni Gli argomenti dei seminari erano basati sulle esperienze dirette di lavoro dgli speakers. Nel mio caso: fisica di precisione, esperimenti e+ e-, test di SM, esplorazione BSM. Dopo Aleph la violazione di CP nei B, la verifica del paradigma CKM., sfida allo SM con misure su canali rari Mixing D0 e limiti a LFV nel decadimento dei tau Nuove idee per il futuro. Le mie lezioni sono state comunque lezioni di fisica delle particelle . E cosi’….

OUTLINE (2001) Simmetrie discrete Mixing K neutri B sin2b

Cenni di simmetrie discrete P,T,C P parity ihdij ihdij P -  P 2  , P2=1 P ha autovalori +1 e -1,è Unitario ed Hermitiano Otranto Settembre 2001 Marcello A. Giorgi

Decadimenti di KL e KS KS : Br in pp è >99.99% KL : Br in 3p è 33.68%,BR in plnl è 65.95% Il decadimento del Ksin pp sembrava indicare che esso è autostato puro di CP essendolo lo stato finale . Analogamente il decadimento in 3 p del KL sembrava indicare che esso è autostato puro di CP all’autovalore opposto. Il modo più semplice di scrivere i 2 autostati di CP è pertanto il seguente: e Otranto Settembre 2001 Marcello A. Giorgi

Mixing del flavour Dalla meccanica classica viene l’esempio più semplice di oscillazione di un sistema con 2 modi. Esercizio: x 2 pendoli di massa m e lunghezza l sono accoppiati da una molla di costante elastica k e lunghezza di riposo x. l l m k m Si studino i 2 modi e la frequenza di mixing Otranto Settembre 2001 Marcello A. Giorgi

Esistono autostati della matrice di massa? Autostati di Sì! Con [ ] e se chiamo Otranto Settembre 2001 Marcello A. Giorgi

MIXING &REGENERATION Strong interaction is strangeness conserving And Hyperon production xsections are i.e.: Pais&Piccioni 1956 M.S.Sozzi Varenna05 Serra degli Alimini, 21-27 Settembre 2006 Marcello A. Giorgi

A new regeneration mechanism in 1963?? M.S.Sozzi Varenna05 Serra degli Alimini, 21-27 Settembre 2006 Marcello A. Giorgi

Se vale CP p=q Sono autostati di CP ed inoltre Otranto Settembre 2001 Marcello A. Giorgi

Sistema dei K neutri Nel caso dei gli stati in oggetto sono La violazione è legata a Definiamo Otranto Settembre 2001 Marcello A. Giorgi

Outline of lectures (2006) Discrete symmetries Need for CPV CPV in K sector CKM model Discovery of CPV in B sector BaBar achievements Not only CP Towards the Future Historical touch and motivation Serra degli Alimini, 21-27 Settembre 2006 Marcello A. Giorgi

A new proposal at BNL!! Serra degli Alimini, 21-27 Settembre 2006 Marcello A. Giorgi

The glorious experiment LOI J.Cronin,V.Fitch,R.Turlay april ’63 Approval at Brookhaven may ’63 Detector ready june ’63 40 days of rnns starts end July ‘63 40 DAYS FOR CP VIOLATION Serra degli Alimini, 21-27 Settembre 2006 Marcello A. Giorgi

Experimental apparatus what new? SPARK CHAMBERS ! What are They? Serra degli Alimini, 21-27 Settembre 2006 Marcello A. Giorgi

Serra degli Alimini, 21-27 Settembre 2006 Marcello A. Giorgi

It is CPV ..e nel settore dei B??? Reject other possibilities: BUT Anomalous regeneration Failure of Quantum Mechanics p misidentifcation 3-body something missing BUT Invariant mass of Kaon p evidence Independent of production ..e nel settore dei B??? Serra degli Alimini, 21-27 Settembre 2006 Marcello A. Giorgi

..e nei B?

3 ways to CP violation CPV in decay: CPV in mixing: CPV in the interference decay-mixing: For example: decays to CP eigenstates Serra degli Alimini, 21-27 Settembre 2006 Marcello A. Giorgi

Observables: “direct” CP asymmetry A1 = |A1| CP A1 = |A1| i f i f A2 = |A2| ei ei A2 = |A2| ei ei    (CP-conserving)    (CP-violating) Time-integrated “direct” CP asymmetry requires two amplitudes and :      +  -  A = A1+ A2 A = A1+ A2  A ACP Serra degli Alimini, 21-27 Settembre 2006 Marcello A. Giorgi

Observables time-dependent CP asymmetry fCP Af B0 fCP Af CP Interference between mixing and decay to a CP eigenstate. Flavor-tagged time-dependent decay rates are different! they are governed by the “CP parameter”: For single decay amplitude CP eigenvalue Amplitude ratio  ei2 from mixing Asymmetry Serra degli Alimini, 21-27 Settembre 2006 Marcello A. Giorgi

CP in Standard Model CKM CP Violating phase CKM quark mixing matrix Unitarity BD(*)l bcl B()  B0 Mixing bul B() l Serra degli Alimini, 21-27 Settembre 2006 Marcello A. Giorgi

Representing unitarity relations as Unitarity Triangles The unitarity condition of CKM matrix VV+=V+V=1 gives 6 relations between the matrix elements as : VudV*ub + VcdV*cb + VtdV*tb =0 (in this relation the 3 terms have the same order of magnitude ~O(l3) and it can be graphically represented in a complex plane as a triangle with sides of comparable length. Other relations have terms of different order of magnitudes. E.g.: VusV*ub + VcsV*cb + VtsV*tb =0 O(l4) O(l2) O(l2) Overconstrain a,b,g and the 4 parameters of CKM r,h, A,l Serra degli Alimini, 21-27 Settembre 2006 Marcello A. Giorgi

m- K- m- m+ p+ p- Dz z bg(4S) = 0.55 J/Y Asymmetry Start the Clock Experimental ingredients for time dependent CP asymmetries measurement of beta, alpha and gamma Asymmetry z Tag vertex reconstruction Flavor Tagging m- K- bg(4S) = 0.55 Start the Clock Dz m- m+ p- p+ Coherent BB pair B0 Exclusive B Meson and Vertex Reconstruction J/Y How are we doing the measurement The Y(4s) decays to a coherent B0 B0- pair, which fly in exactly opposite flavors until one B decays. This starts the clock for the time depending asymmetry. The other B will oscillate until it decays. We need to fully reconstruct the B meson CP eigenstate, and tag its flavor using the decays products of the other B Serra degli Alimini, 25-26 Settembre 2011 Marcello A. Giorgi

INGREDIENTI PER CP with time Dependent analysis Misura dei tempi di decadimento. Cioe’ misura precisa dei vertici di decadimento

Use of precise Silicon detectors in Flavour experiments. Digression: Use of precise Silicon detectors in Flavour experiments. Serra degli Alimini, 25-26 Settembre 2011 Marcello A. Giorgi

Serra degli Alimini, 25-26 Settembre 2011 Marcello A. Giorgi

Schema di rivelatore al Silicio + - + - + - + - Serra degli Alimini, 25-26 Settembre 2011 Marcello A. Giorgi

Primi rivelatori a strip L’uso dei primi rivelatori a silicio e’ stato il trigger per lo sviluppo di rivelatori a strip Serra degli Alimini, 25-26 Settembre 2011 Marcello A. Giorgi

Primi rivelatori a strip L’uso dei primi rivelatori a silicio e’ stato il trigger per lo sviluppo di rivelatori a strip Serra degli Alimini, 25-26 Settembre 2011 Marcello A. Giorgi

Primi rivelatori a strip L’uso dei primi rivelatori a silicio e’ stato il trigger per lo sviluppo di rivelatori a strip ….. .. (M.A.G/. Proc. Miniaturization of High Energy Physics Detectors 1980-. Plenum Press) Serra degli Alimini, 25-26 Settembre 2011 Marcello A. Giorgi

Primi rivelatori a strip L’uso dei primi rivelatori a silicio e’ stato il trigger per lo sviluppo di rivelatori a strip. Primo rivelatore a strip a barriera di superficie con divisione di carica. ….. .. (M.A.G/. Proc. Miniaturization of High Energy Physics Detectors 1980-. Plenum Press) First Pisa meeeting on advanced Detectors (Elba series) Serra degli Alimini, 25-26 Settembre 2011 Marcello A. Giorgi

Schema rivelatore a strip Serra degli Alimini, 25-26 Settembre 2011 Marcello A. Giorgi

Dal telescopio NA1 alla strip target Silicon telescope 300mm pitch Serra degli Alimini, 25-26 Settembre 2011 Marcello A. Giorgi

Dal telescopio alla strip target Ma perche’ non eliminare gli spazi inutili? Silicon telescope 300mm pitch Serra degli Alimini, 25-26 Settembre 2011 Marcello A. Giorgi

Dal telescopio alla strip target Ma perche’ non eliminare gli spazi inutili? Silicon telescope 300mm pitch Serra degli Alimini, 25-26 Settembre 2011 Marcello A. Giorgi

Dal telescopio alla strip target Ma perche’ non eliminare gli spazi inutili? Silicon telescope 300mm pitch Serra degli Alimini, 25-26 Settembre 2011 Marcello A. Giorgi

Dal telescopio alla strip target Ma perche’ non eliminare gli spazi inutili? Silicon telescope 300mm pitch BUT…. C’e’ bisogno di un materiale a piu alta densita’ Ge Serra degli Alimini, 25-26 Settembre 2011 Marcello A. Giorgi

Dal telescopio alla strip target Ma perche’ non eliminare gli spazi inutili? Silicon telescope 300mm pitch BUT…. C’e’ bisogno di un materiale a piu alta densita’ Ge Monolithic Ge Detector strip 25 mm (50 mm pitch) Serra degli Alimini, 25-26 Settembre 2011 Marcello A. Giorgi

(1982) NA1 una migliore misura della vita media del charm Serra degli Alimini, 25-26 Settembre 2011 Marcello A. Giorgi

In vista di LEP SLD -SLAC Rivelatori a doppia faccia !! Serra degli Alimini, 25-26 Settembre 2011 Marcello A. Giorgi

ALEPH An experiment is like an onion – many layers Want silicon detectors at the centre of the device (no mass in the way) Close to beam pipe for less error on projected track origin Serra degli Alimini, 25-26 Settembre 2011 Marcello A. Giorgi

ALPEH – VDET (the upgrade) Vdet is: pitch 25um (distance between strips) readout pitch 50um on r-phi side (strips run in beam direction, measure phi (polar coordinates)) 100um on z-side (strips perpendicular to beam, measures distances along beam pipe) 1920 readout channels per module on z side only 1024 electronics channels strip pairs are multiplexed 1024 r-phi channels and r/o strips dimensions: 6 wafers per face, approx 6.5cm long each inner radius 6.3cm outer radius 11cm length = approx 40cm total thickness = 0.015Xo for tracks at 90deg incident angle silicon wafers 300um thick only 2 layers of silicon results: S/N= r-phi 28:1, z = 17:1 (due to higher cap load) point resolution: sigma (r-phi) = 12um, sigma (z) = 14um Electrons are outside the tracking volume – no extra mass in the path of the particles Detectors are double sided strips so that you can have 2-D (x,y) position resolution from the same device Cooling (services etc) all at end of tracker – mass consideration Several layers gives you 2 Space points for track reconstruction Long silicon detectors allow you to have a large angular acceptance Radiation length X0 = 2 silicon layers, 40cm long, inner radius 6.3cm, outer radius 11cm 300mm Silicon wafers giving thickness of only 0.015X0 S/N rF = 28:1; z = 17:1 srf = 12mm; sz = 14mm Serra degli Alimini, 25-26 Settembre 2011 Marcello A. Giorgi

Ma anche al Tevatron CDF Serra degli Alimini, 25-26 Settembre 2011 Marcello A. Giorgi

LEP: Aleph started the game first, immediately followed by the others 1986-2000 ALEPH VDETII DELPHI Si Tracker L3 SMD OPAL μVTX3 K.Österberg, Performance of the vertex detectors at LEP2, NIM A435 (1999)

Rivelatori a doppia faccia Si raccolgono sia buche che elettroni Minor materiale a parita’ di informazioni Maggiore complessita’ tecnica Maggior costo Non basta suddividere l’elettrodo sul lato posteriore a causa dell’accumulo di carica superficiale Soluzione sviluppata a Pisa (’86): strip p+ per interrompere lo strato di accumulazione di e- che cortocircuiterebbe tutte le strip n+ +++++++++ - - - - - - - - n+ n+ - - p-stops Serra degli Alimini, 25-26 Settembre 2011 Marcello A. Giorgi

Trackers for the B-factories: the BaBar Silicon Vertex Tracker

11 Countries, 80 Institutions, 623 Physicists PEP-II & BaBar 11 Countries, 80 Institutions, 623 Physicists Lmax = 1.12 X 1033 cm–2s–1 Ldt = 371 fb–1@{Υ(4S)+off(~10%)} (>3.7x108 B events) Charged tracking/vertexing • 5-layer DSSD Si µstrip • 40 layers (He-isobutane) Hadron identification • tracker: dE/dx • DIRC imaging Cerenkov Electron/photon • CsI calorimeter Muon/KL • Instrumented flux return Serra degli Alimini, 25-26 Settembre 2011 Marcello A. Giorgi

KEKB & Belle 8 x 3.5 GeV 22 mrad crossing angle since 1999 13 countries, 57 institutes, ~400 collaborators 8 x 3.5 GeV 22 mrad crossing angle KEKB & Belle e+ source Ares RF cavity Belle detector SCC RF(HER) ARES(LER) 8GeV (e-)  3.5GeV (e+) peak luminosity: 1.651034cm-2s-1 since 1999 Serra degli Alimini, 25-26 Settembre 2011 Marcello A. Giorgi

Triumph of CKM from LHCb data Summer 2011 Good agreement no evident discrepancyor “tension” , even with different statistical analysis T.Gershon @LP11 Serra degli Alimini 26/9/2011 M.A.Giorgi

Triumph of SM . How BSM? Precision investigation of Higgs boson e+ e- Higgs Factory? Hopefully. Precision measurements in accelerator and non accelerator experiments: CPV in b and c LFV in m and t Dark Matter search Dark Energy search Still flavor experiments at high luminosity

How BSM? Need for high luminosity experiments Need for precise detectors ( precision trackers, efficient PID) more precise than the present detectors as silicon.