Masterclass 2011 – Prima Parte Stefano Marcellini – INFN Bologna (Quasi) tutto quello che c’e’ da sapere sulla fisica delle particelle elementari 29/03/2017

Le particelle fondamentali della natura hanno spin = ½ νe νμ ντ e μ τ u c t d s b Q= 0 LEPTONI Q= -1 Q= +2/3 QUARK Q= -1/3 …piu’ le corrispondenti antiparticelle 3 famiglie 29/03/2017

Le Interazioni fondamentali Tutti i fenomeni che conosciamo sono interpretabili mediante 4 forze, o “interazioni” fondamentali. Int. GRAVITAZIONALE Int. ELETTROMAGNETICA Int. DEBOLE 4) Int. FORTE (o nucleare, o “di colore”) 29/03/2017

Le interazioni avvengono mediante scambio di particelle di spin intero (1 o 2), che si chiamano “portatori della forza” Int. elettromagnetiche  fotoni Int. deboli  particelle W+, W-, Z Interazioni forti o di colore  gluoni 29/03/2017

Esempio: l’atomo elettrone Interazione Elettromagnetica: scambio di fotoni nucleo 29/03/2017

Int. Gravitazionale: Gravitoni Int. forte: 8 tipi di gluoni Int. Elettromagnetica: fotoni Int. Gravitazionale: Gravitoni Int. debole: W+, W- , Zo particella A Interazione carica-mediatore Mediatore della forza, Scambiato tra A e B particella B 29/03/2017

Esempio: decadimento Beta protone neutrone Quark d Quark u W- elettrone La particella W vive per un tempo brevissimo: < 10-23 s. E’ quindi assolutamente invisibile anti-neutrino 29/03/2017

Cosa avviene concettualmente in un urto tra particelle ? Due protoni vengono fatti urtare fra loro ad altissima energia (accelerati da un acceleratore) Cosa avviene concettualmente in un urto tra particelle ? Quello che succede nell’urto, avviene su scale spaziali piccolissime, tanto più piccole tanto maggiore è l’energia a cui avviene l’urto. Lo studio dei prodotti della collisioni ci da le informazioni per capire cosa è avvenuto nell’urto 29/03/2017

Lago Lemano 29/03/2017

Alcune caratteristiche dell’acceleratore Lunghezza 26,7 Km Velocita’ dei protoni : 99,9997828 % della velocita’ della luce 9300 magneti superconduttori, raffreddati a -271,3 gradi C = 1.9 K Pressione all’interno del tubo dell’acceleratore 10-13 atm (1 decimo che sulla luna) 40 milioni di collisioni al secondo Ogni esperimento di LHC riempira’ di dati l’equivalente di 20 milioni di DVD ogni anno Costo : 6 miliardi di euro (pagato in circa 10 anni dagli stati membri del CERN su budget normale, senza richiesta di sovvenzioni speciali) Consumo energetico a pieno regime: 180 MWatt (meno di un decimo di tutto il cantone di Ginevra), fornito dalla societa’ elettrica francese. 29/03/2017

Una settimana di guerra in Iraq LHC, pagato in 10 anni dall’intera comunita’ scientifica internazionale, costa come: Una settimana di guerra in Iraq Un centesimo di quanto stanziato dagli USA per contrastare il crack delle banche Quanto viene speso al mondo in una settimana, per pubblicita’ Quattro bombardiari B-2 Meno di un centesimo della spesa militare mondiale annua 29/03/2017

Molto più del budget annuo CERN (650 M€) 1 anno di Formula 1 costa piu’ del piu’ costoso dei 4 esperimenti di LHC. Toyota 2005: 500 M$ Costo Parlamento italiano Montecitorio 940 M€/anno Molto più del budget annuo CERN (650 M€) 1 Km di alta velocità: 60-65 M€/km . TAV MI-TO 125 km – 7.8 G€ (più di tutto LHC !!!) (fonte: Il Sole 24 ore) 29/03/2017

LHC e’ costato ad ogni cittadino italiano: 1 euro e 20 centesimi l’anno, per 10 anni. Per ogni euro speso dallo stato italiano per LHC, 1 euro e mezzo e’ rientrato come commesse alle industrie italiane. La ricerca scientifica e’ anche un ottimo ritorno economico ! 29/03/2017

Idealmente, per ogni interazione fra particelle prodotte in un acceleratore, vorremmo disporre di un apparato in grado di: Misurare l’impulso e la direzione di tutte le particelle prodotte Identificare tutte le particelle prodotte Misurare se sono state prodotte nel vertice di interazione o altrove 29/03/2017

Un rivelatore di particelle idealmente deve poter fare tutto questo. 29/03/2017

Particelle ad alto momento trasverso pt Impulso della particella p Momento trasverso pt Direzione del fascio di protoni incidente 29/03/2017

Particelle ad alto momento trasverso pt Impulso della particella p Momento trasverso pt Direzione del fascio di protoni incidente 29/03/2017

Stato finale tipico di LHC: molte particelle di basso pt. Stato finale molto piu’ raro a LHC: molte particelle di basso pt, ma anche alcune ad alto pt. Sono gli eventi “interessanti” che bisogna selezionare. Sono una frazione di molti ordini di grandezza inferiore CMS e ATLAS sono pensati per studiare soprattuto questo tipo di eventi 29/03/2017

2 quark di tipo u: carica +2/3 1 quark di tipo d: carica -1/3 Struttura del protone 2 quark di tipo u: carica +2/3 1 quark di tipo d: carica -1/3 N gluoni: carica elettrica nulla (ma trasportano la carica forte o di colore) 29/03/2017

Produzione di W ad LHC in urti fra 2 protoni (esercizio di oggi) gluone + quark 66 % gluone + gluone 34 % N.B. nel primo caso il rapporto W+/W- dipende dal contenuto di quark u e d del protone 29/03/2017

Decadimento delle particelle W Stati finali con elettroni Stati finali con muoni N.B. i neutrini si manifestano come energia trasversa mancante (MET) nell’evento 29/03/2017

Perche’ “trasversa” ? Momento trasverso pt Impulso della particella p Direzione del fascio di protoni incidente Gli impulsi dei due partoni iniziali non sono uguali !!! Invece nel piano trasverso Pt = 0 prima, e Pt = 0 dopo !!! 29/03/2017

Eventi di fondo (per l’esercizio che farete oggi) Stati finali con 2 elettroni Stati finali con 2 muoni 29/03/2017

Higgs Fondo WW Stati finali con coppie W+W- All’interno dei dati che analizzerete sono stati inseriti alcuni eventi simulati di produzione e decadimento di Higgs: Il bosone di Higgs e’ una particella prevista dalla teoria ma mai osservata prima Serve a spiegare perche’ la materia ha massa. Puo’ essere prodotta a LHC e poi decadere in questo modo: Higgs Fondo WW Stati finali con coppie W+W- 29/03/2017

Scopo dell’esercizio di oggi: Studiare i decadimenti “leptonici” (elettroni e muoni) della particella W+ e W- prodotte negli urti fra protoni a LHC (esperimento ATLAS). Da questo studio e’ possibile ottenere informazioni sulla struttura interna dei protoni Per fare questo e’ necessario riconoscere quando un evento contiene un decadimento di una W+ o W- in elettrone o muone (+ neutrino) (vedi prossima pagina) Per riconoscere un decadimento di W in elettrone o muone e’ necessario saper riconoscere come appare un elettrone o un muone nell’apparato sperimentale ATLAS. 29/03/2017

Decadimento delle particelle W Stati finali con elettroni Stati finali con muoni N.B. i neutrini si manifestano come energia trasversa mancante (MET) nell’evento 29/03/2017

Promemoria Un elettrone si riconosce da: Una traccia nel tracciatore interno Un importante deposito di energia nel calorimetro elettromagnetico Nessun deposito di energia nel calorimetro adronico Nessun segnale nelle camere a muoni Un muone si riconosce da: Un modesto depositio di energia nel calorimetro elettromagnetico Un modesto depositio di energia nel calorimetro adronico Segnali in una o piu’ camere del rivelatore a muoni 29/03/2017

f+ = 0.66*(2/3) + 0.34*(1/2) ~ 0.60 (idealmente) gluone + quark 66 % gluone + gluone 34 % Arancio=misurato, verde=teoria, rosso=contenuto di quark u rispetto a d f+ = 0.66*(2/3) + 0.34*(1/2) ~ 0.60 (idealmente) f- = 0.66*(1/3) + 0.34*(1/2) ~ 0.40 (idealmente) f+/f- ~ 1.5 (idealmente) provenienti da g+q: 29/03/2017

Compito 1 : Scopri la struttura del protone! Seleziona tutti gli eventi di segnale (eventi con produzione di una particella W) tra i 50 eventi che ti sono stati assegnati. Per questi determina la carica della particella W. Alla fine combinando i risultati determina il rapporto tra il numero di W carichi positivamente e il numero di W carichi negativamente. Una quantità indicata con R±. Un evento di segnale e’ caratterizzato da: c’e’ esattamente un elettrone o muone (leptone positivo o negativo), che appare isolato (non e’ all’interno di un jet di particelle), con un impulso trasverso pt > 20 GeV Nell’evento manca una parte dell’impulso trasverso totale: MET > 25 GeV (presenza di un neutrino di alto impulso trasverso, proveniente dal decadimento della W). L’angolo fra il leptone carico e la direzione della MET, nel piano trasverso, deve essere tra 160° und 200° (circa opposti in direzione, entro la risoluzione) Se l’evento non ha queste caratteristiche., e’ classificabile come evento di fondo. 29/03/2017

Caratteristiche dei possibili eventi Higgs fra il fondo contenere ESATTAMENTE DUE leptoni (elettroni o muoni) con carica elettrica opposta, isolati (non contenuti in un jet di particelle) ciascuno deve avere un impulso trasverso di almeno 20 GeV. Inoltre deve esserci anche un impulso trasverso mancante di almeno 40 GeV. 29/03/2017