IFAE – Torino Aprile 2004 PROSPETTIVE FUTURE PER HEP IN EUROPA Lorenzo Foà Scuola Normale Superiore INFN di Pisa.

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1 IFAE – Torino Aprile 2004 PROSPETTIVE FUTURE PER HEP IN EUROPA Lorenzo Foà Scuola Normale Superiore INFN di Pisa

2 Il passato SppS: costruito per scoprire W e Z. Fatto nel 1993 Il Tevatron è stato costruito per studiare W e Z Fatto con la misura di M W = 80.454+0.049 GeV In piu’ scopre il top e ottiene una misura eccellente della massa. Dimostra inoltre che si può fare la fisica del b LEP: costruito per verificare in dettaglio lo S.M. Fatto in modo eccellente tanto da predire correttamente la massa del top attraverso le correzioni radiative. Avrebbe potuto scoprire l’ Higgs....Peccato!

3 Il presente: LHC La data fondamentale per il futuro della fisica delle particelle in Europa è un giorno dell’ottobre 1993: Il Congresso americano cancella il progetto SUPER SUPERCONDUCTING COLLIDER (SSC) Questo ha reso possibile un processo a valanga che ha portato nel 1994 all’approvazione di LHC che non decollava: Prima fase: LHC con magneti mancanti  9 TeV (2004) Seconda fase: LHC completo  14 TeV (2008) SOLUZIONE INSOSTENIBILE nel 1996 il Council del CERN approva LHC completo (2005) insieme a una riduzione del bilancio del 8.5%

4 LHC LHC ha un compito preciso come le macchine precedenti: Scoprire, se esiste, il bosone di Higgs e completare il Modello Standard. Ma soprattutto deve dirci dove dobbiamo andare al di là del Modello Standard e cancellare o verificare le varie teorie proposte dai teorici. Per me quindi LHC avrà due fasi ben distinte: La prima fase, esplorativa, per rispondere a domande come:

5 Esiste il bosone di Higgs? f f f W WW W W h W W W W f f Esiste una nuova interazione mediata da un bosone scalare (cosa mai vista prima)? E’ davvero così leggero come suggeriscono i dati?

6 bosone di Higgs E’ il campo di Higgs responsabile del mixing CKM (dal fatto che le matrici di Yukawa sono non diagonali)? della violazione di CP (dal fatto che queste sono complesse)? Quanti doppietti di Higgs esistono? (1, 2,.... 6) (ci sono molti modi per far incontrare le rette delle costanti di accoppiamento, ma differiscono per il valore di m all’incrocio)

7 Ricerca della supersimmetria La supersimmetria è una realtà o solo una elegante ipotesi non realizzata? E’ questa la via per realizzare l’unificazione degli accoppiamenti di gauge? La supersimmetria è responsabile per la materia oscura? WMAP: Ω tot = Ω B + Ω DM + Ω Λ =1.022+0.02 Ω B = 0.044 ± 0.004 Ω DM = 0.22 ± 0.04 Ω Λ = 0.73 ± 0.04

8 Supersimmetria Questa tabella contiene una precisa stima di quanta materia oscura ci deve essere. Se si accetta che questa sia fatta di neutralini, se ne puo’ determinare il numero data la massa: sono quasi sempre troppi. Bisogna che avvengano fenomeni di annichilazione come    +  oppure la massa del χ deve essere vicina, ma non uguale, alla metà della massa del bosone di Higgs per cui    h (vicino alla risonanza)

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10 ALTRE IDEE Nuove dimensioni dello spazio, compattificate con raggi inferiori al mm, in cui solo la gravità può penetrare, potrebbero risolvere il problema della gerarchia: 1-Produzione diretta di gravitoni e torri di Kaluza-Klein 2-Produzione di radioni che decadono in coppie di Higgs Il bosone di Higgs non si trova: questo implica che le interazioni deboli diventano forti alla scala del TeV con risonanze nello scattering W L -W L

11 SECONDA FASE Quando LHC avrà fornito la risposta di base: In che direzione dobbiamo andare? potrà iniziare una fase di misure di precisione sulle nuove particelle scoperte. A questo punto la luminosità sarà una componente essenziale di ogni misura e diverrà molto interessante spingere al massimo le prestazioni di LHC LHC  SLHC

12 Vale quindi la pena di spendere due minuti su SLHC, sui rivelatori e sulla fisica che questi permetteranno di fare ACCELERATORE: due opzioni, una realistica, l’altra improbabile: 1-Aumento della luminosità di un fattore 10: 10 34  10 35 cm -2 s -1 2-Aumento dell’energia di fattore 2: 7  14 TeV La prima usa tutte le strutture esistenti ed ha un costo accessibile, la seconda significa cambiare tutti i dipoli degli archi con magneti di nuovo disegno, basati su tecnologie non ancora studiate ed è estremamente costosa

13 La strada per aumentare la luminosità di un fattore 10: Fase 0- limitata, senza modifiche hardware Collisioni solo in I1 e I5 crescere l’intensità per bunch al limite fascio-fascio Così la corrente cresce da 1.1 a 1.7 10 11 ppb Crescere l’energia al massimo possibile: E=7.54 TeV Fase 1- modifiche solo nelle inserzioni e negli iniettori Modificare le inserzioni di quadrupoli nelle zone di interazione: β*= 0.25m Crescere l’angolo di incrocio di √2 Raddoppiare il numero di bunches (12.5 ns) CHE FISICA FAREMO CON QUESTA MACCHINA?

14 In attesa delle scoperte che faremo con LHC possiamo solo descrivere le migliorie alle misure del M.S. ASSUNZIONE: I rivelatori, rifatti o migliorati, forniscono le stesse prestazioni di quelli che costruiamo ora per LHC. 1- Fisica del Higgs Decadimenti rari: H   Z  ll accoppiamento Higgs- bosone visibile con 11  H   +  - possibile solo sotto m=150 GeV significanza: da 8 a 3 Produzione: fusione di B.V. irraggiati dai quark Richieste: 1-migliore granularità dei calorimetri in avanti 2-vetare eventi con jets nella zona centrale

15 1-Accoppiamenti Higgs-fermioni: R(H  ff‾)=L(pp  H)Γ f /Γ Γ f =g f 2,  e Γ dalla teoria oppure: 2-Accoppiamenti Higgs-bosoni H  ZZ  4l che fornisce Γ Z /Γ W (al 10%) H  WW  llνν in maniera indipendente dal modello. 3-Autoaccoppiamento del Higgs: λ HHH =3m H 2 /v λ HHHH =3m H 2 /v 2 in cui λ HHH è determinato da gg  H  HH

16 Questo processo va estratto da vari processi di fondo ed è possibile a SLHC solo se 170<m H <200 GeV al livello del 25%. 4-Fisica del top t  q γ q=u,c Decadimenti rari: t  qZ ’’ t  qg ’’ con branching ratios di circa 10 -3. Possibili se si mantiene inalterato il b-tagging 5-Nuovi bosoni di gauge esteso da 5.9 a 6.5 GeV MA SAREBBE BEN POCO SE QUESTO FOSSE TUTTO!

17 Cosa significa: “il rivelatore deve mantenere le stesse prestazioni di quello che stiamo costruendo per LHC”? Vediamo come esempio il tracciatore: E’ il rivelatore per cui abbiamo più idee nuove E’ il rivelatore che soffrirà di più la radiazione Pixels  occupanza di 10 -4 rispetto alle microstrips che hanno 10 -2 e sono quindi ideali per fornire il seme delle tracce. Tracker necessario nel trigger di primo livello per essere selettivi sugli elettroni e sul p t dei muoni. Va rifatto tutto: r>60 cm sviluppo microstrips attuali 60>r>20 cm sviluppo pixels attuali r<20 cm nuove tecnologie (pixels più piccole, tecnologia criogenica, 130 °K, elettronica più veloce per essere in tempo al trigger L1 e più radhard, tecnologia di 130 nm).

18 Quindi parlare di adattamenti del detector significa: Riprogettare un tracciatore da sostituire a quello distrutto da 5 anni di lavoro a LHC Portare a un livello più avanzato l’automazione della costruzione in serie dei sensori rispetto a CMS Riprogettare l’elettronica ubbidendo alle condizioni odierne del mercato: almeno 100.000 chips/tipo,al massimo due iterazioni. Va notato con piacere che l’aumento di energia sarebbe gratis per gli esperimenti come lo fu il passaggio da LEP a LEP2. Ma ci vorranno solidi argomenti, basati sulle scoperte di LHC per poter solo discutere di una simile opzione.

19 Aldilà della realtà sicura di LHC, la comunità si interroga sulle possibili macchine del futuro Le opzioni sono varie e di grande interesse: 1- un collisore lineare e+e- da 0.5  1(3) TeV con luminosità di 5 10 34 cm -2 s -1 2- un collisore μ + μ - nella zona di massa di 3 TeV con una luminosità equivalente 3- un Very Large Hadron Collider (VLHC) da 100 a 240 TeV per esplorare il range di massa fino a 30 TeV, con una circonferenza di 200 Km. 4- Una Neutrino-Factory basata sulla tecnologia di un accumulatore di muoni

20 Negli anni 95 – 99 tutto questo era puramente speculativo Nel giro di 3 anni le prospettive cambiarono: 1- Il collider μμ, molto attraente come prospettiva per l’eccellente definizione dell’energia (esempio la Higgs Factory),risulta estremamente lontano nel tempo e non ha una comunità seriamente impegnata a sostenerlo. 2- VLHC resta il sogno predominante in alcuni ambienti (FNAL) ma non fa passi concreti per la necessità di uno sviluppo impegnativo e costoso di magneti superconduttori a basso costo perchè sarebbe insensato parlarne prima di aver visto i risultati di LHC.

21 L’ipotesi di un collisore lineare e+e-, dopo 10 anni di studio, diventa l’opzione più realistica, più basata su un reale R&D, a DESY, a SLAC a KEK ed anche al CERN, con una forte comunità fedelissima. Il fascino di questo acceleratore (capito bene a LEP) numeri quantici dello stato iniziale definiti natura point-like dell’interazione complementarità rispetto a LHC. Molti progetti sono stati sviluppati negli anni. Oggi, due sono quelli più avanzati, ad un livello da permettere un disegno costruttivo e una valutazione credibile dei costi:

22 1- JLC-X/NLC Basato sulla tecnologia delle radiofrequenze a temperatura ambiente, secondo la linea di SLC nella regione X-band. Su questa tecnologia sono confluiti, dopo molti anni di lavoro parallelo, il progetto giapponese, JLC, Japan Linear Collider, e quello californiano, NLC, New Linear Collider. La necessità di limitare la lunghezza dell’acceleratore comporta la necessità di cavità ad alto gradiente. Oggi, a fronte del gradiente di progetto di 65 MV/m, parecchie cavità funzionano a 60 MV/m, senza eccessivi danni al foro di ingresso e di uscita (iris). Nonostante il tanto lavoro fatto, il progetto richiede ancora almeno un anno di R&D.

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24 TESLA Sviluppato a DESY sotto la spinta irresistibile di B. Wijk, sulla base di cavità superconduttrici: dalle cavità di LEP con 6.0 MV/m a quelle del progetto attuale da 500 GeV 23.8 MV/m a quelle necessarie per salire a 800 GeV 35.0 MV/m con un valore di Q ° superiore a 10 10 grazie alla lucidatura elettrica sviluppata a KEK, a Saclay e a DESY. Probabilmente il progetto più sviluppato

25 Nel frattempo cresce un nuovo progetto: CLIC al CERN Sviluppato al CERN, si basa su principio molto nuovo che permette una grande riduzione della lunghezza e quindi un aumento dell’energia per esempio a 3- 5 TeV Una serie di fasci di elettroni di alta corrente e bassa energia corrono parallelamente al fascio del vero acceleratore di bassa corrente e alta energia. Cavità frenanti tolgono potenza ai primi fasci e la trasferiscono al secondo come in un trasformatore Questo avviene in una struttura molto compatta dato che la frequenza è 30 GHz (TESLA 1.3 GHz) Lavora senza Klystron su fascio principale! Il R&D ha fatto molta strada da CTF1 a CTF2 e ora a CTF3, anticipato dal DG in modo da rispondere alle domande entro il 2009.

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27 Questo ricco panorama di tecnologie contiene un germe pericolosissimo: Ogni progetto è associato a una tecnologia e a un sito. Ma, dato il costo, la realizzazione deve essere globale. Su questo fronte in 10 anni non c’è stato alcun progresso concreto. Ho vissuto personalmente molte tappe di questa storia. Durante 5 anni di direttorato (1994-1998) ho partecipato a una decina di riunioni di ICFA senza alcuna evoluzione. Nel 2000 Albrecht Wagner, direttore di DESY, mi chiese, come chairman di ECFA, l’opinione dell’Europa su TESLA. Usando i membri del comitato come centri di raccolta delle opinioni dei vari paesi, abbiamo prodotto un documento: “Report of the working group on the future of accelerator- based particle physics in Europe”

28 Dopo una analisi del futuro rappresentato da LHC e delle possibilità offerte da un collider μμ, da una ν- factory, da un VLHC, e della loro realizzabilità abbiamo raggiunto la conclusione unanime di RACCOMANDARE UN ACCELERATORE LINEARE e + e - PER MASSE SUPERIORI A 400 TeV ESTENDIBILE A 1000 COME PROSSIMA MACCHINA MONDIALE con la richiesta di un periodo di sovrapposizione con LHC. Appena dopo l’approvazione di Plenary ECFA volai a Aspen dove ho presentato le conclusioni alla riunione di un gruppo equivalente al nostro di HEPAP che due giorni dopo raggiunse conclusioni identiche alle nostre. Subito dopo arrivò l’analoga risoluzione di ACFA. Così la raccomandazione dell’ambiente scientifico era unanime a livello planetario.

29 Perche un collisore e + e - a 1 TeV? Se il bosone di Higgs è leggero come suggeriscono le correzioni radiative, permetterà di studiarne le proprietà come LEP ha studiato la Z. Se molte particelle supersimmetriche sono nel suo range di energia, è la sola macchina che può ricostruire la catena di decadimenti e misurarne le caratteristiche. Se l’Higgs non esiste, misure di precisione alla Z e al top permetteranno test di consistenza 10 volte più precise che a LEP. Le deviazioni indicheranno la via verso nuova fisica al di là della portata della macchina Naturalmente questo sarà tanto più vero quanto maggiore sarà la sua energia e quanto più si sovrapporrà a LHC

30 Nello stesso periodo Wagner propose il GLOBAL ACCELERATOR NETWORK Uno schema in cui il prossimo acceleratore mondiale sarebbe costruito a pezzi dai laboratori di tutti i paesi, con piena responsabilità di disegnarli, costruirli, istallarli e garantirne il funzionamento. Solo un piccolo gruppo di macchinisti risiederebbe nel laboratorio, che dovrebbe essere contiguo ad un laboratorio esistente. Il paese ospitante è previsto pagare di più. Una buona idea per salvare i laboratori nazionali. Per il resto, solo la struttura organizzativo-burocratica è cresciuta a dismisura per mantenere un po’ di spinta al progetto. Oggi, nel 2004, la struttura è la seguente:

31 ORGANIZZAZIONE INTERNAZIONALE

32 Tra tutti questi comitati, steering committees, boards ce n’è uno che potrebbe muovere veramente il processo di decisione: lo INTERNATIONAL TECHNICAL REVIEW COMMITTEE (I.T.R.C) Il cui compito è scegliere la tecnologia da adottare in base ad argomenti scientifici, tecnici, di schedule e di costo entro il 2004 o possibilmente anche prima. I membri di questo comitato che si è riunito per la prima volta in Gennaio 2004 sono: ASIA EUROPA U.S.A. Gyung-Su Lee Augustin Bagger Masaike Bellettini Barish (Ch) Oide Kalmus Grannis Sugawara Soergel Holtkamp

33 Inizio del lavoro sarà una visita ai laboratori interessati al progetto Riusciranno i nostri 12 a raggiungere una conclusione in un anno? La comunità accetterà il loro verdetto come promesso? Se sì, il processo passa ai politici per la scelta del sito la ripartizione dei costi tra i partners. La decisione finale dovrebbe essere nel 2007. Sarà una coincidenza casuale con l’inizio di LHC? Un elemento chiave della decisione sarà sapere cosa c’è sotto 0.5 e sotto 1 TeV. In tal caso la tentazione di vedere i primi risultati di LHC sarà fortissima. Questo sta già nella visione strategica ventennale del DOE QUALE FISICA AL LINEAR COLLIDER?

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46 Negli ultimi 10 anni ha preso velocità lo studio del mondo dei LEPTONI LEP ha mostrato che le famiglie di neutrini leggeri sono 3 Sono state scoperte le oscillazioni dei neutrini solari e atmosferici in cui l’ampiezza dipende da sin 2 θ e la frequenza da Δm 2

47 Oggi sappiamo che θ 12 = 30° Δm 12 2 = 7 10 -5 eV 2 θ 23 = 45° Δm 23 2 =2.5 10 -3 eV 2 θ 13 < 10° ? Dovremo vedere: ν μ  ν e, ν τ  ν e e la violazione di CP P(aν μ  aν e ) ≠ P(ν μ  ν e )

48 Vie sperimentali diverse a tempi diversi Tra poco: MINOS e CNGS (OPERA e ICARUS) (inclusi i fasci fuori asse) In costruzione: JHF verso SUPER-KAMIOKANDE (con in futuro Hyper-Kamiokande?) High Intensity low energy Superconductive Proton Linac (SPL) I fasci BETA ( 6 He ++  6 Li +++ a ν e e - ) puro fascio di a ν e oppure ( 18 10 Ne  18 9 F ν e e ) puro fascio di ν e Neutrino Factory con anello di accumulazione per μ

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54 Esiste una comunità decisa e compatta a livello internazionale e la problematica fisica è di prima grandezza. Con tempi lunghi andrà avanti. CONCLUSIONI 1-LHC ci deve aprire il futuro come fece la J/ ψ 2-Con grande fatica forse avremo un collisore e + e - da 1 TeV (o superiore) dopo il 2015 3-La fisica del neutrino avanzerà lentamente ma sicura per spiegarci il mondo dei leptoni 4-E’ il momento per attrarre nuovi laureandi