Masterclass 2014 – Prima Parte

Presentazione sul tema: "Masterclass 2014 – Prima Parte"— Transcript della presentazione:

1 Masterclass 2014 – Prima Parte
Stefano Marcellini – INFN Bologna (Quasi) tutto quello che c’e’ da sapere sulla fisica delle particelle elementari 09/12/2018

2 09/12/2018

3 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 09/12/2018

4 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”) 09/12/2018

5 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 09/12/2018

6 Esempio: l’atomo elettrone Interazione Elettromagnetica:
scambio di fotoni nucleo 09/12/2018

7 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 09/12/2018

8 Esempio: decadimento Beta
tempo protone neutrone Quark d Quark u W- elettrone La particella W vive per un tempo brevissimo: < s. E’ quindi assolutamente invisibile anti-neutrino 09/12/2018

9 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 09/12/2018

10 Lago Lemano 09/12/2018

11 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 09/12/2018

12 Un rivelatore di particelle idealmente deve poter fare tutto questo.
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13 Particelle ad alto momento trasverso pt
Impulso della particella p Momento trasverso pt Direzione del fascio di protoni incidente 09/12/2018

14 Particelle ad alto momento trasverso pt
Impulso della particella p Momento trasverso pt Direzione del fascio di protoni incidente 09/12/2018

15 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 09/12/2018

16 Un evento tipico a LHC: molte tracce

17 Struttura del protone: diventa molto complessa se
“vista” ad alta energia (alta risoluzione) 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) Coppie quark-antiquark (si chiamano “sea”) Ognuno trasporta un po’ dell’impulso totale del protone 09/12/2018

18 Sebbene l’impulso totale del centro di massa dei due protoni sia zero,
il centro di massa a cui avviene la collisione fra partoni si muove! Invece l’impulso trasverso e’ sempre nullo

19 protone + protone  W + altro
Produzione di W+- a LHC protone + protone  W + altro L’urto avviene fra i costituenti del protone La frazione W+ / W- riflette la struttura interna del protone

20 Decadimento della W: elettrone o muone + neutrino (leptone + neutrino)
La carica del leptone indica la carica della W Il neutrino non rilascia segnale nel rivelatore (energia mancante nell’evento)

21 Energia mancante (trasversa): Missing Et
Se il rivelatore fosse capace di misurare esattamente gli impulsi di tutte le particelle prodotte in ogni interazione, la loro somma vettoriale sarebbe zero Impulso iniziale totale dei due protoni = 0 = somma degli impulsi finali Nella realta’: - le misure degli impulsi hanno una loro incertezza sperimentale - l’efficienza di identificazione e ricostruzione delle particelle non e’ il 100% - ci sono zone del rivelatore non attive (ad esempio in avanti, o nei «buchi») - ci sono particelle che non rilasciano segnali nel rivelatore (i neutrini) Risultato: La somma vettoriale degli impulsi e’ generalmente diversa da zero: in ogni evento «manca» dell’energia (o impulso) nel conteggio totale. Si utilizza in genere l’energia mancante nel piano trasverso alla collisione: Missing Et

22 Perche’ “trasversa” ? Momento trasverso pt Impulso della particella p
Direzione del fascio di protoni incidente Invece nel piano trasverso Pt = 0 prima, e Pt = 0 dopo !!! Gli impulsi dei due partoni iniziali non sono uguali !!! 09/12/2018

23 Quark u Quark u Zo E’ responsabile delle interazioni deboli “neutre”
la particella Zo E’ responsabile delle interazioni deboli “neutre” protone protone Quark u Quark u Zo Elettrone muone La Z ha una massa di circa 91 GeV: circa 91 volte la massa del protone Anti – elettrone Anti – muone La particella Z vive per un tempo brevissimo: s E’ quindi assolutamente invisibile, ma… 09/12/2018

24 Decadimento della Z La Zo vive pochissimo e poi decade trasformandosi in coppie di particella-antiparticella. (es: elettrone-antielettrone oppure muone-antimuone) Due elettroni o due muoni di carca opposta MAI un elettrone e un muone, anche se di carica opposta 09/12/2018

25 Perche’ non si osserva una massa ben precisa ?
Particella che “nasce e muore” in un tempo brevissimo: si puo’ fare a patto che la sua massa (energia) sia indeterminata: Principio di indeterminazione di Heisenberg: ΔE ·Δt > h 09/12/2018

26 Nell’esercizio troverete molte coppie di elettroni o muoni
La misura della massa invariante di queste coppie contiene il “ricordo” del fatto che esse sono state prodotte dal decadimento della Z o di altre particelle. 09/12/2018

27 2 fotoni nello stato finale:
Bosone di Higgs Particella di spin zero (bosone) . L’interazione delle particelle fondamentali con il campo di Higgs fa loro acquisire la massa 2 fotoni nello stato finale: 4 leptoni nello stato finale: 2e 2mu, 4e oppure 4mu 09/12/2018

28 Bosone di Higgs: Massa = 125 GeV
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29 Siate critici su quello che state facendo Ponetevi domande
Sommario degli eventi che cercherete Calcolo del rapporto W+/W- Calcolo del rapporto e/mu Ricerca di eventi H 2 fotoni H 4 leptoni (2e 2mu, 4e, 4mu) Siate critici su quello che state facendo Ponetevi domande E soprattutto divertitevi 09/12/2018