Un cammino condiviso con Gianluigi Stimando le masse delle particelle: dal top, via bosone di Higgs, fino alla supersimmetria Un cammino condiviso con Gianluigi

Una tendenza storica dei fisici delle particelle … Quando incontriamo un mistero che non possiamo risolvere con i modelli attuali Inventiamo una nuova particella, talvolta molte! Un primo esempio: Einstein ha proposto il fotone per capire l’effetto fotoelettrico

Un esempio famosissimo La famosa lettera aperta di Pauli Il nome ‘neutrino’ inventato da Fermi Il secondo neutrino spiega perché μ no  elettrone Torneremo più tardi alle oscillazioni e alle masse dei neutrini

Altri esempi importanti per il Modello Standard: i bosoni W, Z Intermediari dell’interazione debole Il W proposto da Yukawa Inizialmente identificato con il pione Poi ‘scoperto’ nel primo esperimento di neutrini al CERN Perché questi errori? Perche i fisici non avevano una stima accurata della massa, o non ci credevano. Ecco l’importanza di stimare bene le masse delle nuove particelle!

Un esempio riuscito Il quark ‘charm’ postulato da Glashow, Iliopoulos e Maiani La massa stimata bene da Gaillard e Lee Implica mu << mc << mW ΔmK implica mc ~ 1.5 GeV

Un esempio personale Il quark ‘bottom’ postulato nel 1975 per accompagnare il leptone pesante ‘tau’ La massa stimata nell’ ambito di una teoria della grande unificazione delle interazioni Chanowitz, JE e Gaillard: “Making the SU(5) model completely natural, including in the Higgs sector, gives the prediction md/me ~ ms/mμ ~ mb/mτ = 2605” Avevo scritto a mano “2 to 5”!

Il quark ‘top’: Una prima avventura con Gianluigi Il quark ‘top’ postulato per accompagnare il quark bottom Molte stime teoriche sbagliate durante gli anni 1970/80 Qual è il limite superiore sulla sua massa? Una prima indicazione è venuta da uno studio delle correnti neutre Costa, JE, GLF, Nanopoulos e Zwirner: “In the minimal standard model with ρ = 1 and equal Higgs and Z masses we find that mt < 168 GeV at the 90% confidence level.” Il nostro primo lavoro non è stato troppo male!

Il quark ‘top’: Una stima raffinata con Gianluigi mt < 185 GeV variando mc Indicazioni su sin2θW Commenti sulla sensibilità a mH

Il quark ‘top’: il ruolo della massa dello Z Una misura precisa della massa dello Z darebbe una indicazione importante della massa del top

Il quark ‘top’: dopo le prime misure di mZ con alta precisione Accordo con i dati a basse energie implica Una prima discussione di mH

Il bosone di Higgs: una seconda avventura con Gianluigi C’è bisogno di un bosone di Higgs (o qualcosa di simile) per dare le masse alle altre particelle L’ ultima componente del Modello Standard che ancora ci manca Le misure di alta precisione hanno poca sensibilità a mH … … ma danno una indicazione interessante

Alcune particelle hanno massa, altre no … Da dove vengono queste masse? Newton: Il peso è proporzionale alla massa Einstein: L’energia è equivalente alla massa Ma non hanno spiegato la massa! Abbiamo tutti imparato alla scuola Einstein ci a mostrato che … Le masse sono dovute al bosone di Higgs? (una particella chiave …)

Come un campo di neve LHC cercherà il fiocco di neve: Con gli sci si corre molto velocemente: Come una particella senza massa ad es., un fotone = particella della luce Con le racchette da neve, si va più lentamente: come una particella con una massa ad es., un elettrone LHC cercherà il fiocco di neve: il bosone di Higgs Con gli scarponi si affonda nella neve e si va molto lentamente: come una particella con una grande massa

Stimando la massa del bosone di Higgs Le misure elettrodeboli sono sensibili alle correzioni quantistiche: Però la sensibilità alla massa del top è molto maggiore della sensibilità alla massa del bosone di Higgs: Tuttavia le misure al LEP ci davano una indicazione di un Higgs leggero ancora prima della scoperta del top

Stimando la Massa del bosone di Higgs Primi tentativi negli anni 1990, 1991: Molto difficile prima della scoperta del top

Stimando la Massa del bosone di Higgs Dopo la scoperta del top: Solide indicazioni di un bosone di Higgs leggero

Il bosone di Higgs: lo stato attuale Il limite inferiore dal LEP: mH > 114.4 GeV Secondo i dati elettrodeboli: mH = 89+35–26 GeV un limite superiore: mH < 158 GeV, o 185 GeV includendo il limite diretto Il limite dal Tevatron: mH < 158 GeV or > 173 GeV

La ricerca del bosone di Higgs al Tevatron Il Tevatron esclude un bosone di Higgs fra 158 & 173 GeV 18

Le prime ricerche ad LHC Un contributo significativo al fit globale 19

Combinando le informazioni sulla massa del bosone di Higgs mH = 120+ 12-5 GeV

Una stanza senza finestre … Cosa c’è fuori della stanza? … una porta da aprire

Extra-Dimensioni Supersimmetria Tecnicolor W’, Z’ Buchi neri

Extra-Dimensioni Supersimmetria Tecnicolore W’, Z’ Buchi neri

Fisica oltre il Modello Standard? Un vuoto non stabile? Indicazioni contro un modello composito La supersimmetria?

La supersimmetrica e la materia oscura ? La supersimmetria associa le particelle della materia  alle particelle che trasportano le interazioni Può spiegare la scala delle masse delle particelle Può aiutare ad unificare le interazioni fondamentali La particella supersimmetrica più leggera sarebbe stabile e con una massa inferiore a 1000 GeV Avrebbe una densità simile a quella della materia oscura Da ricercare con gli esperimenti

La materia oscura nell’universo Gli astrofisici ci dicono che la maggior parte della materia nell’universo è invisibile: materia oscura Particelle supersimmetriche? Le cercheremo con l’LHC

Indicazioni prima dell’LHC Se il neutralino fosse responsabile della materia oscura La materia ‘oscura’ avrebbe una carica eletromagnetica Vietata da b  s g Indicazioni dalla densità della materia oscura Indicazioni (?) da g - 2 JE + Olive + Santoso + Spanos

Fit globale delle masse supersimmetriche Approccio statistico Dati utilizzati: Misure elettrodeboli di alta precisione Limite sperimentale sulla massa del bosone di Higgs La densità della materia oscura Dati sui decadimenti b  s , Bs  +- g - 2 (forse) Combinando le densità di probabilità Analizzando i modelli supersimmetrici più semplici O.Buchmueller, JE et al: arXiv:0808.4128, 0907.5568, 0912.1036, 1011.6118, 1102.4585

Stimando le masse delle particelle supersimmetriche Prima del’LHC Stimando le masse delle particelle supersimmetriche O.Buchmueller, JE et al: arXiv:0808.4128

Il progetto LHC al CERN 1,000,000,000 di collisioni ogni secondo Collisioni Protone-Protone 7 TeV + 7 TeV 1,000,000,000 di collisioni ogni secondo Obiettivi scientifici: L’origine della massa La materia oscura Il plasma primordiale L’ asimmetria fra materia ed antimateria 1 TeV = 1000 GeV ~ 1000 volte la massa del protone

Visione d’insieme di LHC e dei suoi esperimenti 100 m sotto terra 27 km di circonferenza

Un bosone di Higgs potrebbe apparire così

La materia oscura potrebbe apparire così Energia invisible portata via da particelle di materia oscura

20 novembre 2009: contentissimi! 35 35

Concentrazione, ansietà … … attesa e trepidazione

Indicazioni dopo i dati LHC 2010 CMS MHT CMS Se il neutralino fosse responsabile della materia oscura ATLAS 0 Lepton ATLAS 1 Lepton La materia ‘oscura’ avrebbe una carica eletromagnetica Vietata da b  s gamma Indicazioni dalla densità della materia oscura Indicata (?) da g - 2

Stimando le masse supersimmetriche Con i dati LHC 2010 Stimando le masse supersimmetriche CMSSM O.Buchmueller, JE et al: in preparation

Stimando la massa del gluino Con i dati LHC 2010 Stimando la massa del gluino CMSSM O.Buchmueller, JE et al: in preparation

Il processo raro Bsμ+μ- ? Con i dati LHC 2010 Il processo raro Bsμ+μ- ? NUHM1 O.Buchmueller, JE et al: in preparation

Traiettoria dei fit nel CMSSM Come hanno evoluto i fit supersimmetrici? Qual’è l’evoluzione possibile nel futuro? Se non c’è la supersimmetria con 7/fb Se non c’è la supersimmetria con 1 o 2/fb Limiti attuali Prima del’LHC Vecchi punti di riferimento ★ Fit prima del’LHC Dopo LHC 2010  Dopo LHC 2011?

Torniamo ai neutrini Il lavoro attuale di Gianluigi, Eligio ed amici Aspettiamo con entusiasmo una nuova generazione di esperimenti

Conclusioni Impossibile! Stimare le masse delle particelle prima delle loro scoperte è un lavoro senza fine È un complemento essenziale alle ricerche sperimentali Aspettiamo con (im)pazienza le prossime scoperte del’LHC Senza dubbio si aprirà un mondo nuovo!