- INFN & Universita' di Padova 1 Il Bosone di Higgs.

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1 - INFN & Universita' di Padova 1 Il Bosone di Higgs

2 - INFN & Universita' di Padova 2 Interazione elettromagnetica Le equazioni di Maxwell e l'equazione di Dirac descrivono egregiamente le interazioni elettromagnetiche nei dettagli piu' fini (Quantum Electro Dynamic: lamb shift, diffusione Bhabha, etc.) L'equazione descrive la propagazione di un quanto di luce nel vuoto Fotone : particella priva di massa che si propaga con velocita' costante v = c = 2.997 10 8 m/s

3 - INFN & Universita' di Padova 3 Interazioni Deboli Una nuova classe di interazioni viene introdotta per spiegare la radioattivita' naturale Esempio : il decadimento del neutrone e' indotto dalla produzione intermedia di un nuovo “mediatore”, la W

4 - INFN & Universita' di Padova 4 Un solo formalismo ? Descrivere le Interazioni Deboli con lo stesso formalismo che funziona per le Interazioni elettromagnetiche

5 - INFN & Universita' di Padova 5 Bosoni massicci Questo modello spiega perche' le I.D. sono deboli La carica debole e' circa uguale a quella elettrica: ma i mediatori (W,Z) hanno massa elevata... e decadono rapidamente (t ~ 10 -24 sec) propagandosi per tratti brevissimi ( ct ~ 10 -16 m) mentre il fotone (M   0 ) puo' propagarsi per tratti piu' lunghi

6 - INFN & Universita' di Padova 6 Successo ! W,Z osservate nel 1980 al CERN (C.Rubbia)

7 - INFN & Universita' di Padova 7 Successo ! W,Z osservate nel 1980 al CERN (C.Rubbia) prodotte a iosa in collisioni e + e - (LEP)

8 - INFN & Universita' di Padova 8 Successo ! W,Z osservate nel 1980 al CERN (C.Rubbia) prodotte a iosa in collisioni e + e - (LEP)... e pp (LHC)

9 - INFN & Universita' di Padova 9... e problemi Non e' banale introdurre la massa nell'equazione del moto L'introduzione “forzata” del termine di massa : porta a problemi (divergenze) che rendono la teoria non calcolabile – quindi inutile ! Soluzione : introduzione dinamica della massa mediante il meccanismo di Higgs

10 - INFN & Universita' di Padova 10 Meccanismo di Higgs Introduco un nuovo campo (= particella) che interagisce con la W (o la Z) “carica” debole A A 

11 - INFN & Universita' di Padova 11 Meccanismo di Higgs Introduco un nuovo campo (= particella) che interagisce con la W (o la Z)  e' un campo (scalare) cui associo un potenziale, V(  ) “carica” debole A A 

12 - INFN & Universita' di Padova 12 Il Potenziale di Higgs Quale scegliamo ?

13 - INFN & Universita' di Padova 13 Il Potenziale di Higgs Quale scegliamo ? Che differenza fa ?

14 - INFN & Universita' di Padova 14 Riflessioni sul vuoto (1) Vuoto : stato in cui e' minima l'energia complessiva, quindi anche quella potenziale

15 - INFN & Universita' di Padova 15 Riflessioni sul vuoto (1) Vuoto : stato in cui e' minima l'energia complessiva, quindi anche quella potenziale Primo caso : Banale !

16 - INFN & Universita' di Padova 16 Riflessioni sul vuoto (2) Vuoto : stato in cui e' minima l'energia complessiva, quindi anche quella potenziale Secondo caso : Esaltante ! Nota : due soluzioni possibili

17 - INFN & Universita' di Padova 17 Il Bosone di Higgs Higgs : eccitazione del vuoto Matematicamente lo ottengo con la sostituzione :

18 - INFN & Universita' di Padova 18 Meccanismo di Higgs L'equazione di partenza : si trasforma cosi' :

19 - INFN & Universita' di Padova 19 Meccanismo di Higgs L'equazione di partenza : si trasforma cosi' : termine costante. E' la massa del vettore A :

20 - INFN & Universita' di Padova 20 Meccanismo di Higgs L'equazione di partenza : si trasforma cosi' : Accoppiamento tra il bosone Higgs e il vettore Possiamo predire l'intensita' dell'accoppiamento nota cha sia la massa

21 - INFN & Universita' di Padova 21 Il Modelo Standard Il campo di Higgs (se esiste) altera il vuoto ! Compare nelle equazioni un termine 1/2 g 2 v 2 W 2 Il termine gv e' una costante, che possiamo interpretare come la massa del campo W : M = ½ gv Si verifica (t'Hoft, Veltman, 1973) che in questo modo le divergenze spariscono (sono regolarizzate) e la teoria torna calcolabile

22 - INFN & Universita' di Padova 22 Analogie Classiche Vuoto : velocita' V 0

23 - INFN & Universita' di Padova 23 Analogie Classiche Vuoto : velocita' V 0 Mezzo viscoso : velocita' v< V 0, a=-kv

24 - INFN & Universita' di Padova 24 Analogie Classiche Vuoto : velocita' V 0 Mezzo viscoso : velocita' v< V 0, a=-kv Vuoto classico : M=0, v=c

25 - INFN & Universita' di Padova 25 Analogie Classiche Vuoto : velocita' V 0 Mezzo viscoso : velocita' v< V 0 Vuoto classico : M=0, v=c Vuoto di Higgs :

26 - INFN & Universita' di Padova 26 Una precisazione La situazione e' piu' complessa Il campo di Higgs e' invero descritto da quattro funzioni Non ci sono due soluzioni, ma infinite (tutte equivalenti) La natura ne ha scelto una : Rottura Spontanea della Simmetria

27 - INFN & Universita' di Padova 27 Predizioni Con lo stesso meccanismo si generano tutte le masse  elettricamente neutro :

28 - INFN & Universita' di Padova 28 Predizioni Con lo stesso meccanismo si generano tutte le masse  elettricamente neutro : Particelle di materia (fermioni) f ( e, , q... ) Possiamo predirne gli accoppiamenti, senza ancora averlo visto : f f 

29 - INFN & Universita' di Padova 29 e Successi Predizione massa del quark Top (1994) : 2/3/1995 gli esperimenti D0 e CDF al FermiLab (Chicago) annunciano la scoperta del quark Top con massa

30 - INFN & Universita' di Padova 30 Decadimenti del Bosone di Higgs Il bosone di Higgs puo' decadere : in due fermioni f 

31 - INFN & Universita' di Padova 31 Decadimenti del Bosone di Higgs Il bosone di Higgs puo' decadere : in due fermioni in due “mediatori” (WW,ZZ) f  W  W

32 - INFN & Universita' di Padova 32 Decadimenti del Bosone di Higgs Il bosone di Higgs puo' decadere : in due fermioni in due “mediatori” (WW,ZZ) in due fotoni

33 - INFN & Universita' di Padova 33 Decadimenti del Bosone di Higgs Il bosone di Higgs puo' decadere : in due fermioni in due “mediatori” (WW,ZZ) in due fotoni

34 - INFN & Universita' di Padova 34 Decadimenti del Bosone di Higgs Possiamo calcolare con buona precisione le diverse modalita' di decadimento in funzione della massa dell'Higgs

35 - INFN & Universita' di Padova 35 Decadimenti del Bosone di Higgs M H > 150 GeV: prevalentemente nei “mediatori” WW, ZZ

36 - INFN & Universita' di Padova 36 Decadimenti del Bosone di Higgs M H > 150 GeV: prevalentemente nei “mediatori” WW, ZZ MH<150 GeV: prevalentemente nei fermioni pesanti, quark b, leptone 

37 - INFN & Universita' di Padova 37 Ricerca del Bosone di Higgs @ LHC Collisioni protone protone alla massima energia Scopo: convertire parte dell'energia cinetica dei protoni nell'energia di massa dell'Higgs Identificare l'Higgs frugando tra leparticelle effettivamente osservate

38 - INFN & Universita' di Padova 38 Ricerca del Bosone di Higgs @ LHC Complicazioni i protoni sono particelle composite, le topologie sono assai complesse Simulazione di un evento Higgs a LHC

39 - INFN & Universita' di Padova 39 Ricerca del Bosone di Higgs Complicazioni i protoni sono particelle composite la probabilita' di produrre l'Higgs e' molto bassa i processi parassiti (fondi) sono molto piu' frequenti

40 - INFN & Universita' di Padova 40 La misura degli eventi a LHC Per osservare il bosone di Higgs e la Nuova Fisica serve un acceleratore che massimizzi l'energia delle collisioni la frequenza delle collisioni (luminosita') Anche se non opera ancora alle condizioni di disegno, il ha gia' largamente superato le prestazioni dei collisori adronici che l'hanno preceduto Large Hadron Collider

41 - INFN & Universita' di Padova 41 Il Large Hadron Collider LHC e' lo stadio finale di un complesso sistema che utilizza svariati acceleratori in cascata Il penultimo stadio (SPS) e' l'acceleratore progettato da Carlo Rubbia per osservare W e Z nei primi anni 80

42 - INFN & Universita' di Padova 42 Gli esperimenti Le collisioni hanno luogo in quattro punti, dove sono alloggiati quattro rivelatori, disegnati con obbiettivi diversi ATLAS e CMS : oltre i limiti del Modello Standard ATLAS e CMS : oltre i limiti del Modello Standard

43 - INFN & Universita' di Padova 43 La misura degli eventi a LHC Date le energie altissime, e l'enorme molteplicita' servono rivelatori: estremamente grandi estremamente granulari estremamente veloci il piu' possibile ermetici (cioe', privi di buchi)

44 - INFN & Universita' di Padova 44 ATLAS

45 - INFN & Universita' di Padova 45

46 - INFN & Universita' di Padova 46 The Compact Muon Solenoid

47 - INFN & Universita' di Padova 47 CMS

48 - INFN & Universita' di Padova 48 Ricerca dell'Higgs Il Bosone di Higgs puo' essere ricercato in svariate topologie legate ai diversi modi di decadimento L'efficacia di ciascuna dipende: ➢ dall'accoppiamento dell'Higgs ➢ dall'entita' dei processi parassiti simili al segnale ricercato

49 - INFN & Universita' di Padova 49 Un esempio : H->ZZ Questo “canale” copre : 30 % degli stati finali se M H > 2 M Z < 1% se M H ~ 120 GeV

50 - INFN & Universita' di Padova 50 Un esempio : H->ZZ Questo “canale” copre : 30 % degli stati finali se M H > 2 M Z < 1% se M H ~ 120 GeV La Z e' instabile. Decade a sua volta in altre particelle, ma noi possiamo osservare solo una frazione dei decadimenti della Z : i fondi sono molto bassi possiamo fare una misura precisa (o 1%) della massa

51 - INFN & Universita' di Padova 51 Candidato Z(ee)Z(  ) in CMS

52 - INFN & Universita' di Padova 52 Candidato Z(  )Z(  ) in CMS

53 - INFN & Universita' di Padova 53 Candidato Z(  )Z(  ) in ATLAS

54 - INFN & Universita' di Padova 54 H-> ZZ Risultati simulazione CMS 30 fb - 1

55 - INFN & Universita' di Padova 55 H-> ZZ Risultati

56 - INFN & Universita' di Padova 56 Un altro caso : H->  Questo “canale” copre un margine molto ristretto : 0.1-0.3 % se M H ~< 200 GeV Tuttavia: alta efficienza per i fotoni misura precisa della massa fondi abbastanza bassi

57 - INFN & Universita' di Padova 57 Candidato  in CMS

58 - INFN & Universita' di Padova 58 H ->  misuro energia e direzione dei due fotoni calcolo la “massa invariante” : } simulazione, 100 fb - 1

59 - INFN & Universita' di Padova 59 H ->  misuro energia e impulso dei due fotoni calcolo la “massa invariante” : } dati, 5 fb - 1

60 - INFN & Universita' di Padova 60 il caso fermionico : H-> bb 90% e piu' del segnale per M H <150 GeV

61 - INFN & Universita' di Padova 61 il caso fermionico : H-> bb 90% e piu' del segnale per M H <150 GeV ?

62 - INFN & Universita' di Padova 62 il caso fermionico : H-> bb 90% e piu' del segnale per M H <150 GeV... ma i fondi sono soverchianti e oscurano il segnale meglio usare lo stato finale , che ha fondi molto piu' bassi

63 - INFN & Universita' di Padova 63 Combinazioni In pratica si esplorano tutte le strade, anche le piu' disperate Si combinano i risultati in maniera “ottimale” A massa alta, sono decisivi gli studi in ZZ e WW A massa bassa, quelli in ZZ e 

64 - INFN & Universita' di Padova 64 Atlas e CMS concordano: L'Higgs NON E' ancora stato scoperto, ma e' stato grandemente limitato il suo “campo di esistenza” Qui l'Higgs non c'e' (se ci fosse l'avremmo visto)

65 - INFN & Universita' di Padova 65 Atlas e CMS concordano: L'Higgs NON E' ancora stato scoperto, ma e' stato grandemente limitato il suo “campo di esistenza” c'e' poi una regione interessante

66 - INFN & Universita' di Padova 66 Zoom Nella regione tra 122 – 126 GeV i dati si discostano un po' da quello che ci aspetteremmo in assenza di Higgs Curiosamente, anche ATLAS osserva un eccesso analogo all'incirca nella stessa regione L'eccesso pero' non e' ancora statisticamente significativo

67 - INFN & Universita' di Padova 67 Conclusioni Il meccanismo di Higgs e' il paradigma preferito per assegnare la massa a tutte le particelle – e quindi alla materia Le ricerche a LEP (1990-2000) hanno escluso l'esistenza di un Higgs leggero (M H < 115 GeV) Dopo due anni di piena attivita', le ricerche a LHC escludono un Higgs com massa M H > 128 GeV ma ci sono indizi interessanti ~ 125 GeV Nel 2012 LHC produrra' il quadruplo degli eventi finora raccolti e arriveremo ad una conclusione definitiva

68 - INFN & Universita' di Padova 68 Scenari 2012 LHC scopre il bosone di HIGGS

69 - INFN & Universita' di Padova 69 Scenari 2012 LHC esclude il bosone di HIGGS

70 - INFN & Universita' di Padova 70 Scenari 2012 I maya avevano ragione, so who cares ?