Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino1 Le particelle elementari, simmetrie nascoste e la caccia al bosone di Higgs Torino, Camplus - Lingotto.

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1 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino1 Le particelle elementari, simmetrie nascoste e la caccia al bosone di Higgs Torino, Camplus - Lingotto 29 Novembre 2012

2 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino2 L’approccio riduzionista in fisica delle particelle ha portato a moltissimi progressi. Ogni ulteriore livello di “riduzione” porta con se` una grande quantità di informazioni, il passaggio da un livello a quello successivo avviene attraverso lo studio di regolarità che indicano la presenza di una sotto-struttura La fisica delle particelle Oggi parliamo di quello che non sappiamo… del prossimo livello

3 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino3 Fondamentali: queste particelle sono ritenute senza struttura interna (anche se non è esclusa) Queste particelle si dicono “materia”, sono i costituenti della materia Queste particelle si dicono “messaggeri”, sono quelli che trasmettono le forze

4 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino4 Forza gravitazionale : Forza elettromagnetica: tiene uniti i protoni, i neutroni ed il nucleo anche se di carica uguale messaggero: gluone carica: colore (3 tipi) radioattività, attività solare … messaggeri: W  e la Z carica: debole Caduta dei corpi, moto stellare… messaggero: gravitone carica: Massa/energia magneti, atomi, chimica… messaggero: fotone carica: elettrica (1 tipo) Forza forte: Le forze: cariche ed intermediari Forza debole:

5 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino5 Antimateria… L’antimateria è una concetto comune in fisica delle particelle, è come la carica negativa rispetto a quella positiva. Regola: se si creano delle particelle in laboratorio si ottiene tanta materia quanto anti-materia, tante cariche positive tante negative. Come elementi, per ora sappiamo fare solo l’anti-idrogeno e l’anti-elio Quando materia ed antimateria si incontrano, si annichilano

6 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino6 quark Einstein: E=mc 2 la massa si può trasformare in energia e viceversa. Attraverso urti tra particelle si possono creare altre particelle: l’energia delle particelle viene trasformata in materia! Come si creano le particelle in laboratorio? protone Si crea sempre materia ed antimateria in quantità uguali

7 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino7 Particelle e viaggi nel tempo Quando, come ad LHC, si scontrano particelle, si crea uno stato della materia che non esiste attualmente in nessun altro posto nell’universo. Le condizioni che si creano ad LHC sono esistite solo negli attimi iniziali dopo il BigBang. LHC ~ 10 -11 sec

8 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino8 Le particelle che avete visto fino ad adesso (quark, leptoni, messaggeri) vengono descritte da un modello matematico chiamato: Modello Standard Descrive moltissimi dati sperimentali con grande accuratezza Tuttavia ci sono cose che non sappiamo. Per esempio: Misteri: 1.Dov’è l’antimateria? 2.Dimensioni spaziali? 3.Di cosa è fatto l’universo? 4.Simmetrie nascoste:  Il bosone di Higgs  La ragione dell’esistenza del bosone di Higgs

9 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino9 1- Un problema ovvio Durante il big bang, cioè il momento iniziale del nostro universo, si è creata tanta materia quanta anti-materia, tuttavia abbiamo un ovvio problema: Dove è finita l’anti-materia? Imbarazzante: non abbiamo idea => Abbiamo perso il 50% delle particelle.. Nota: materia ed anti-materia non sono esattamente uguali: se lo fossero sarebbero scomparse entrambe nello stesso modo ed adesso ci sarebbe solo energia (questo problema si chiama “CP violation”, è una violazione di simmetria)

10 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino10 u d e e t b   Digressione: Due problemi connessi c s   1) I quark ed i leptoni sono ripetuti 3 volte, ci sono 3 generazioni simili (ma non identiche) Non si sa perché… 2) Tuttavia: 3 generazioni è il numero minimo per permettere una differenza tra materia ed anti-materia Quindi: Se ci fossero solo 2 generazioni non saremmo qui poichè tutta la materia ed anti-materia si sarebbero annichilate. È la nostra esistenza una ragione sufficiente? Probabilmente no… Dato che non sappiamo perché ci sono 3 generazioni, stiamo cercando la quarta

11 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino11 2 - Solo 3 dimensioni spaziali? Immaginiamo di vivere in un mondo a due dimensioni nel quale ci muoviamo solo su di un piano. Supponiamo inoltre che sia un tipo di temibili oggetti che vivono in 3 dimensioni, le SFERE. Le SFERE appaiono e scompaiono, senza nessuna possibilità di sapere dove arriveranno la prossima volta.. Nello stesso modo possiamo immaginare che ci siano della particelle che vivono in 4,5…12 dimensioni che appaiono e scompaiono nel nostro mondo. “String theory” predice 6 extra dimensioni Domanda: perché la gravità è così debole? (la risposta ha a che fare con extra dimensioni ??)

12 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino12 3 - Oscuri Segreti Abbiamo un altro problema: Quello che vi ho raccontato spiega solo il 5% dell’universo, questa volta abbiamo perso il 95% dell’universo Cosa sappiamo del 95% dell’universo? Sappiamo che c’è perché ne vediamo il suo effetto gravitazionale Il 22-25% è costituito da ‘Dark Matter’: I.Non emette nessun tipo di radiazione elettromagnetica. II.Fa ruotare le galassie più velocemente III.Una possibilità è che contenga ‘particelle super-simmetriche’ Il 70 - 73% è composto da ‘Dark Energy’ 1.Riempie uniformemente tutto lo spazio 2.Aumenta la velocità di espansione dell’universo

13 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino13 4 - Simmetrie Nascoste Le simmetrie della natura sono spesso “nascoste”, “rotte” da effetti che si sovrappongono. Esempio: le leggi della fisica sono simmetriche per rotazione. Sulla terra invece, a causa della gravità, questo non è vero. Si dice allora che la simmetria è nascosta (o rotta) dalla gravità. La simmetria esiste, ma non si vede più La ricerca di simmetria nascoste è il mestiere dei fisici teorici…

14 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino14 L’idea di Mr. Higgs Le particelle non hanno massa, e sono simmetriche tra loro Questa simmetria è “nascosta” (broken) dal fatto che il bosone di Higgs, interagendo con le particelle, le rende massive

15 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino15 La massa dei leptoni e quark Idea chiave: Il campo di Higgs si incolla alle particelle e crea la loro massa La massa è una proprietà che viene acquisita attraverso l’interazione con il bosone di Higgs: sembrano avere massa perché interagiscono con il bosone di Higgs e diventano più difficili da spostare.

16 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino16 Nota Bene

17 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino17 Problemi successivi  L’origine della particella di Higgs  L’esistenza della particella di Higgs fa si che il modello matematico sia inconsistente. Molte delle inconsistenze si risolvono introducendo un’ulteriore simmetria nascosta: la supersimmetria La “Supersimmetria” crea una simmetria tra particelle fermioniche (spin frazionario) e bosoniche (spin intero)  ogni particella esiste sia nella versione fermionica che bosonica.

18 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino18 La Supersimmetria Secondo la supersimmetria quindi dobbiamo trovare: -Quark e leptoni che sono bosoni (s-quark, s-lepton) -Gluoni, fotoni che sono fermioni  Dato che è una simmetria deve capitare: massa dei quark = massa s-quark massa dei leptoni = massa degli s-leptoni Non abbiamo mai trovato s-quark o s-leptoni, quindi la loro massa è molto più grande dei loro fratelli fermionici. Questo vuol dire che la supersimmetria è rotta, nascosta da qualche cosa…

19 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino19 Riassunto : 2 simmetria nascoste L’universo è fatto (forse) da particelle supersimmetriche che si presentano sia nello stato bosonico che fermionico, tutte a massa nulla (elettrone con spin = 0 ed ½). La supersimmetria è rotta da qualche cosa che non sappiamo, che agisce sulle particelle bosoniche e le fa sparire (molto molto pesanti??) Le particelle fermioniche sono ancora senza massa La simmetria è rotta dal campo di Higgs Le particelle fermioniche hanno massa “piccola” (<200 GeV) le particelle bosoniche sono molto pesanti (~ 500-1000 GeV) È vero??? E perche’? ?? Higgs Misurato IPOTESI

20 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino20 Una particella esasperante: il bosone di Higgs Gran parte della comunità scientifica ritiene l’esistenza del bosone di Higgs molto probabile, e la sua ricerca è alla base del più grande esperimento scientifico mai costruito. Come lo si cerca? Per prima cosa bisogna farlo…. Noi non sappiamo quanto pesa, per cui per 20 anni si è sperato di trovarlo ogni volta che un nuovo acceleratore veniva acceso…ma invano. LHC è così potente che, se esiste, lo facciamo di sicuro

21 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino21 Come si fa un bosone di Higgs? La teoria ci dice quali sono i meccanismi di produzione: Si parte da due protoni due “costituenti” si fondono, e si forma l’Higgs

22 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino22 Per i curiosi

23 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino23 Che probabilità ha di crearsi un bosone di Higgs? Si riesce a fare un bosone di Higgs una volta ogni 10 12 urti… Nel modo in cui funziona LHC adesso, si fa circa un Higgs ogni ora (secondo la teoria attuale). Urto protone-protone che fa un Higgs Urto protone-protone 10 -12

24 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino24 Come facciamo a vederlo? L’Higgs decade subito in altre particelle: dobbiamo misurare la massa di coppie bb, oppure WW, ZZ, …,  e vedere se hanno la stessa massa.

25 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino25 protone fotone Evento misura a CMS a Giugno 2011 E’ o non è un “Higgs   ” ?

26 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino26 protone muone Evento misura a CMS ad Agosto 2011 muone E’ o non è un “Higgs   muoni” ?

27 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino27 elettrone Evento misura a CMS ad agosto 2011 elettrone E’ o non è un “Higgs   elettroni” ?

28 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino28 Segnale e fondo Supponiamo di vedere in uno scontro due fotoni nello stato finale. -Segnale: È possibile che siano dovuto al decadimento dell’Higgs H   -Fondo: È molto probabile che sia dovuti ad altre cose. Bisogna fare un’analisi statistica per capire se si vede un segnale o no.

29 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino29 Coppie di fotoni Se le coppie di fotoni: sono casuali, allora la loro massa non ha un valore fisso. vengono dal decadimento dell’Higgs, allora hanno tutte la stessa massa: M  = M Higgs

30 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino30 Cosa può capitare? Segnale Higgs forte: Se il segnale è molto grande, lo si vede facilmente: Stoccolma Time!!!!

31 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino31 Cosa può capitare? Segnale Higgs nullo: Se il segnale è non c’è: Coffe Time!!!!

32 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino32 Cosa può capitare? Segnale Higgs incerto: Se il segnale è dubbio: Statistic Time!!!!

33 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino33 Separazione Segnale - Fondo Bisogna valutare la probabilità che il “fondo”, cioè eventi casuali, creino dei falsi segnali, cioè degli agglomerati di eventi tutti con la stessa massa, ma che non sono dovuti all’Higgs Questo lo si fa introducendo il p-value: p-value = probabilità che il fondo generi un numero di eventi uguale o più alto di quelli visti “

34 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino34 P-value per una distribuzione di Poisson Supponiamo di aspettarci 100 eventi, e ne vediamo 100, 110, 120… Che probabilità ha l’ipotesi nulla (niente Higgs) di essere corretta? Valore Atteso Valore Misurato P-Values 100 0.51 1001100.17 1001200.028 1001300.0023  Poco probabile  Molto probabile Nel bin misuro 110 eventi, vado o non vado a Stoccolma? NO

35 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino35 CMS ATLAS Due piccoli picchi, nello stesso posto: 125 GeV Ed adesso? Si aspetta…

36 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino36 E ad altri valori della massa? La ricerca dell’Higgs è fatta per tanti ipotetici valori di massa, da circa 110 a 600 GeV. Per tutti i valori, tranne ~126 GeV, l’ipotesi nulla (che non ci sia Higgs) ha un p-value alto, cioè funziona bene. Questo fatto ci permette di dire che tutte le masse, tranne 120-127 GeV, sono escluse.

37 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino37 Per concludere: è proprio l’Higgs od un’altra particella? Not Mr Higgs La teoria ci dice con grande precisione con che frequenza si produce l’Higgs ed in cosa decade. Nei prossimi anni possiamo constatare se quello che abbiamo visto è l’Higgs o qualche altra meraviglia della natura Mr Higgs