Fisica agli Acceleratori di Particelle

Presentazione sul tema: "Fisica agli Acceleratori di Particelle"— Transcript della presentazione:

1 Fisica agli Acceleratori di Particelle
Stefania Spagnolo Dipartimento di Fisica e Sezione INFN, Lecce

2 Il Modello Standard (MS)
La teoria dei costituenti ultimi della materia e delle loro interazioni La predittivita` della teoria e le misure Gli esperimenti agli acceleratori Un po’ di storia: il ruolo degli acceleratori nella fisica moderna I test di precisione del MS a LEP Il bosone di Higgs La ricerca del bosone di Higgs a LHC

3 Z nt nm ne ne nm nt e- m- t- t+ m+ e+ u c t t c u W W Z, g d s b W
Il Modello Standard Z … gli ingredienti _ _ _ nt nm ne ne nm nt leptoni e- m- t- t+ m+ e+ u c t t c u W W anti-materia Z, g materia _ _ _ quark _ _ _ d s b W b s d W Z, g bosoni vettori

4 Z q g(gluone) ne nm nt e- m- t- W u c t d s b W Z, g
Il Modello Standard Z protone I colori: le cariche delle interazioni forti Cosa accede se si produce una coppia qq di alta energia q g(gluone) le interazioni forti 91 GeV … gli ingredienti ne nm nt Q  0 leptoni e- m- t- Q=-1 W 0.5 MeV 0.106 GeV 1.8 GeV 80 GeV Spin 1/2 materia 1 GeV = massa del protone Spin 1/2 u c t _ Q=2/3 1.5 GeV 175 GeV 3 MeV quark d s b W Q=-1/3 6 MeV 0.125 GeV 4.5 GeV Z, g Spin 1

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6 L = particelle di materia libere
Il Modello Standard Una teoria di campo “gauge invariante” L Una Lagrangiana con un alto grado di simmetria L = particelle di materia libere + bosoni vettori liberi + interazione materia-bosoni + interazioni bosoni-bosoni XXX I processi elementari, cioè le interazioni tra particelle di materia mediate da bosoni vettori, sono definiti da uno stato iniziale e uno stato finale e rappresentati da diagrammi di Feynman (a cui corrispondono quantità “complesse” calcolabili dalla Lagrangiana)

7 |2 Processi elementari Ai A
La probabilità di un processo è espressa dal concetto di sezione d’ urto s Misurata in cm più spesso in pb cm2 = 1 pb Calcolata con tecniche perturbative ~ |Si Ai |2 A s ampiezza di scattering (complesse) In generale piu`diagrammi contribuiscono a un processo Le ampiezze interferiscono nella sezione d’urto tempo diagramma di Feynman Intervengono i vertici consentiti dalla Lagrangiana a2 a4 Il numero di vertici definisce l’ordine dello sviluppo perturbativo

8 Agli acceleratori di particelle si osservano gli “eventi” (stati finali)
che risultano dagli urti tra particelle (stato iniziale) in laboratorio e accelerate a velocita` relativistiche (v ~ c) elettroni protoni anti-eletroni anti-protoni Occorre descrivere la cinematica dell’urto in relatività ristretta applicando la conservazione dell’energia e dell’impulso _  s = (|Si Ei|2 - |Si pi|2 )1/2 Invariante relativistico Nel sistema del c.m. p = 0 e _  s = energia totale Particelle interagenti predizione teorica Particelle prodotte (stato finale) tempo Serie di diagrammi di Feynman

9 Gli acceleratori e gli esperimenti Accumulatori
A bersaglio fisso (FT) Colliders lineari o circolari  s = ( ((m2 +p 2)1/2 +M)2 - p2 )1/2 = ( 2Mp )1/2  s = E1 +E2 = = 2p Accelerando protoni fino a 100 GeV è possibile produrre particelle di massa < 14 GeV in esperimenti a FT < 200 GeV in esperimenti a collider

10 N eventi prodotti = L s Dt
p, m -p, m I Colliders Si classificano principalmente in base a Tipo di particelle accelerate s = Ecm (energia nel centro di massa) Luminosità L Determina il tipo di processi accessibili alla soglia di energia disponibile N eventi prodotti = L s Dt L = f n1 n2 4psxsy ______ I fasci sono costituiti da pacchetti di particelle ( n per pacchetto ) di dimensioni sxsy e collidono con frequenza f sx e sy sono dell’ordine di mm

11 Collider circolari LEP LHC 1032 cm-2s-1  1034 cm-2s-1 210 GeV 14 TeV
e+e pp 22ms ns 45x x1010 luminosità Ecm particelle Tempo tra 2 collisioni dei fasci Particelle in un pacchetto

12 Rivelatori ai colliders
Struttura a “cipolla” Identificano la natura delle particelle Misurano il momento delle particelle cariche nel rivelatore di tracciamento dalla curvatura delle traiettorie in campo magnetico Misurano l’energia delle particelle neutre nei calorimetri Identificano i muoni nei rivelatori piu` esterni

13 Le particelle scoperte dal 1960 a oggi…
… e il ruolo degli acceleratori MARK I ’  J/ p+p- J/  e+e- 10 Nov. 1974 MARK I at SPEAR SLAC On 10 November 1974, physicists working on the SPEAR machine at the Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) in Caliifornia were in a state of euphoria. They realised that they had discovered a remarkable new particle, which they named after the Greek letter "psi". The following morning they discovered that a different experiment, at the Brookhaven National Laboratory in New York had also discovered the same particle, which the team at Brookhaven called J. The J/psi, as it became known, turned out to be the first example of a particle containing the charm quark - in fact, a charm quark bound with its antiquark. Before this, only three quarks were known (up, down and strange). In the image shown here, from later studies*, the Mark I detector at SPEAR reveals the decay of a heavier relation, the psi', into a J/psi plus two charged pions. The J/psi itself decays into an electron (e-) and In urti e+e- si osserva per la prima volta la J/, particella costituita da un quark e un antiquark c m(J/) = 3.1 GeV (3 volte la massa del protone)

14 1977 scoperta della particella  da un eccesso di
1 Agosto 1977 Fermilab (USA) Physical Review Letters pubblica la prima evidenza dell’esistenza del quark b 1977 scoperta della particella  da un eccesso di coppie +- con energia nel centro di massa  10 GeV in urti di protoni di alta energia su un bersaglio metallico 1980 at the Cornell Electron Storage Ring (CESR) La e`riconosciuta come lo stato a energia piu` bassa del sistema legato bb  _ Twenty-one years ago, on 1 August 1977, the journal Physical Review Letters published the first evidence for the existence of the second heaviest quark, the b or bottom quark*. An experiment at Fermilab in the US had found a marked peak in the production of pairs of muons (electron-like particles) in the collisions of high-energy protons with a metal target. The energy of muon-pairs in the peak corresponded to a mass nearly ten times that of a proton, suggesting the brief existence of a new particle with this mass. With further studies elsewhere, it soon became clear that the particle - known as the upsilon - consisted of a new heavy quark (bottom) bound with its antiquark. These studies showed that the original particle was but the lowest mass (or equivalently, lowest energy) state of the upsilon system. In particular, experiments in 1980 at the Cornell Electron Storage Ring (CESR) revealed as many as four related particles. This image shows the peaks corresponding to these four states as measured by the CUSB detector at Cornell**. CESR continues to run at energies equivalent to the upsilon masses, and though CUSB no longer operates, the CLEO detector continues to amass data on particles that contain b quarks.

15 Il leptone piu` pesante t
1975 SPEAR (urti e+e-) M. Perl osserva eventi con un elettrone e un muone In 1975, Martin Perl (SLAC) scanned the SPEAR experimental data, searching for a particularly unusual type of event. What if, he supposed, sometimes an electron and positron annihilate, and the detector records only one electron-type track, and one muon-type track? Premio Nobel nel 1995

16 Gli acceleratori e la QCD
I quark non si propagano come particelle libere ma siano “confinati” in adroni. Pertanto i quark prodotti in processi elementari si manifestano come getti di particelle adroniche Gli acceleratori e la QCD e- q Una predizione della QCD verifivata a SPEAR nel 1973 in urti e+e- a Ecm= 4 GeV _ q e+ PETRA DESY 1979 Ecm=30 GeV Prima evidenza del gluone e- e+ q _ 3 getti di adroni gluone

17 collisioni pp a Ecm = 540 GeV _
1983 UA1 a SPS CERN collisioni pp a Ecm = 540 GeV _ Prima produzione diretta dei bosoni Z e W mediatori assieme al g delle interazioni elettro-deboli Le tracce bianche rappresentano una coppia e+e- prodotta nel decadimento di un bosone Z 1994 CDF a TEVATRON Fermilab collisioni pp a Ecm = 1.8 TeV _

18 Lo stato del Modello Standard
Le verifiche di precisione a LEP e+e- a Ecm = 91 GeV dal 1989 al 1995 e+e- a Ecm = GeV dal 1996 al 2000 LEP1 LEP2 La ricerca dei blocchi mancanti a LHC pp a Ecm = 14 TeV dal 2006 al …

19 Il tunnel di LEP e LHC al CERN
27 Km di circonferenza 100 m sotto il suolo 4 punti di interazione Il tunnel di LEP e LHC al CERN

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21 LEP1 smm = Nmm / (L Dt) _ n _ e+ e+ m+ t+ q 4 possibili stati finali
La maggior parte delle misure di precisione sulla fisica elettrodebole proviene da LEP1 e SLD (SLAC) dal 1989 al esperimenti e+e- a Ecm = 91 GeV = MZ _ n _ e+ e+ m+ t+ q 4 possibili stati finali osservabili Z  s=MZ2 e- m- t- q n q  top (troppo pesante) e- Risonanza nella s di annichilazione elettrone-antielettrone Per ogni stato finale si misurano sezioni d’urto e asimmetrie avanti-indietro smm = Nmm / (L Dt) Nm-(avanti) + Nm-(dietro) ____________________ Nm-(avanti) - Nm-(dietro) 106 Z per ogni esperimento  misure di grande precisione

22 Vista parpendicalare alla direzione dei fasci.
Display di un evento in cui la Z0 prodotta dall’annichilazione di un elettrone e un positrone dei fasci e` decaduta in un muone e un antimuone. Vista parpendicalare alla direzione dei fasci. Come e` caratteristico dei muoni, le due tracce partone dal punto di interazione (al centro) e attraversano tutti gli strati del rivelatore muovendosi in direzioni opposte (momento totale = 0).

23 Display di un evento in cui la Z0 prodotta dall’annichilazione di un elettrone e un positrone dei fasci e` decaduta in un elettrone e un antielettrone. Vista parpendicalare alla direzione dei fasci. Come e` caratteristico degli eletroni, le due tracce partone dal punto di interazione (al centro), attraversano il rivelatore di traciamento (tracce ~rettilinee) e perdono tutta la loro energia (rappresentata dai trapezi bianchi) nel calorimetro elettromagnetico.

24 Display di un evento in cui la Z0 prodotta dall’annichilazione di un elettrone e un positrone dei fasci e` decaduta in una coppia tau+tau-. Vista parpendicalare alla direzione dei fasci. Un tau decade in elettrone( traccia + trapezio) e 2 neutrini e l’altro tau decade un neutrino + adroni (un pione neutro – che perde tutta l’energia nel calorimetro elettromagnetico - trapezio bianco – e un pione carico – traccia e trapezi colorati – che decade in un muone – freccia rossa - e neutrini). Titti i neutrini nel processo non sono rivelati e determinano un momento complessivo dello stato finale osservato diverso da 0.

25 Display di un evento in cui la Z0 prodotta dall’annichilazione di un elettrone e un positrone dei fasci e` decaduta in una coppia quark antiquark. Vista parpendicalare alla direzione dei fasci (sin.alto) e longitudinale (dex.basso). I quarks si manifestano come getti di particelle adroniche che si propagano nella direzione del quark originario.

26 Gz la larghezza della risonanza Gz = 3Gll + Gadroni + NnGnn
Z lineshape Misura della s di produzione di adroni in funzione di Ecm Una sorta di Breight-Wigner descrive la shape della risonanza s ~ (s - Mz2 + i MzGz)-2 La posizione del picco misura la massa del bosone Z MZ Gz la larghezza della risonanza è legata alla probabilità di decadimento Gz = 3Gll + Gadroni + NnGnn È possibilie misurare le specie di neutrini conoscendo Gnn dalla teoria e misurando Gll Gadroni Gz

27 MZ Massa del bosone Z Una delle misure piu` precise mai
prodotte in fisica delle particelle Dalla combinazione dei risultati di 4 esperimenti Massa del bosone Z

28 Gz la larghezza della risonanza Gz = 3Gll + Gadroni + NnGnn
è legata alla probabilità di decadimento Gz = 3Gll + Gadroni + NnGnn Nn = 3.00  0.06 Dal fit complessivo al Modello Standard Nn =  0.012

29 106 Z/esperimento  Precisione sperimentale ~ 0.1%
Teoria: lo sviluppo perturbativo non può fermarsi al all’ordine piu` basso Misure sensibili a grandezze non direttamente osservabili attraverso i contributi degli ordini perturbativi più alti q q q g g q q q sadroni = s0 ( 1 + as/p (as/p)2 – 13 (as/p)3 ) In particolare da Ghad/Gll si ottiene una delle misure più precise della costante di accoppiamento forte t b W sbb = s0(1 + C(mt))

30 mH ??? Le indicazioni indirette dalle misure di precisione
sulla massa del W e la massa del quark top confrontate con le misure dirette mH ??? H  Higgs un bosone previsto dal MS e non ancora osservato la cui massa non è predetta dalla teoria

31 Come si ottengono le misure indirette ?
Un Fit complessivo dei dati al Modello Standard Parametri di input per la teoria (alcuni noti, altri liberi nel fit) La teoria del MS Il fit Le misure

32 I risultati del fit

33 Le misure di precisione sono poco sensibili a MH
Chi e`l’ Higgs ? L’unica risposta certa finora Dove cercarlo e come ?

34 Ritornando alla Lagrangiana …
XXX = Bosone di Higgs libero + interazioni Higgs-fermioni + interazioni Higgs-bosoni Perché un bosone di Higgs ? Il MS è una teoria rinormalizzabile se fermioni e bosoni hanno m=0! Proporzionali alle masse Le masse possono essere generate dinamicamente (senza introdurre “a mano” termini di massa nella Lagrangiana) se si aggiunge XXX preservando la simmetria e la rinormalizzabilità della teoria Fare previsioni nel MS è impossibile senza il bosone di Higgs

35 LEP 2 ( ) a Ecm > 2MW si osserva la produzione di coppie di bosoni W

36 Si misura direttamente la massa del bosone W

37 permettono di verificare la struttura di gauge della teoria
Gli accoppiamenti WWg e WWZ misurati a LEP2 permettono di verificare la struttura di gauge della teoria La sezione d’urto totale e le distribuzioni angolari dei prodotti di decadimento dipendono dagli accoppiamenti WWg e WWZ

38 E` possibile rivelare l’Higgs a LEP 2 se MH < Ecm – MZ
e se si ha abbastanza luminosita` _ b Agosto 2000 Ecm=206 GeV, MH = 114 GeV, MZ = 93 GeV I jet di quark b sono caratterizzati da vertici di decadimento distanti dal punto di interazione Alla fine del 2000 (chiusura di LEP2) ~ 10 eventi sono consistenti con l’ipotesi di MH = 115 GeV bassa significativita` per una scoperta

39 il tunnel di LEP diventa il tunnel di LHC Attualmente in costruzione
27 Km di circonferenza 100 m sotto il suolo 2001 il tunnel di LEP diventa il tunnel di LHC Attualmente in costruzione Primi fasci in LHC previsti per il 2006

40 La ricerca dell’ Higgs a LHC pp con Ecm = 14 TeV
2 esperimenti: ATLAS, CMS ATLAS

41 Le collaborazioni hanno piu` di 1000 membri

42 Display di eventi simulati

43 Collisioni pp a E = 14 TeV a LHC
Sezione d’urto inelastica totale = 80 mb  109 eventi/s I processi interessanti sono urti tra i quarks che costituiscono i protoni Ecm(urto) < 14 TeV Gli eventi di produzione di jet per interazioni forti sono molto più numerosi degli eventi ricercati (produzione di Higgs) Enorme fondo di eventi con jet Occorre cercate decadimenti del bosone di Higgs in stati finali con leptoni (facilemente identificabili e separabili dal fondo)

44 Sezione d’urto in pb (1 pb=10-12b) di produzione del
bosone di Higgs in funzione della sua massa g t H g q q W,Z H q W,Z q I principali meccanismi di produzione

45 Branching ratios per il decadimento del bosone di Higgs
L’Higgs decade in coppie di fermioni e bosoni L’Higgs preferisce decadere in coppie di particelle pesanti Frequenza di decadimento nei diversi canali Se MH > 2 MZ il canale privilegiato per la scoperta è HZZ fondo bassissimo buona efficienza di ricostruzione e selezione m+m- m+m- e+e-

46 Simulazione di un evento di Higgs in ATLAS
Se M (Higgs) > 180 GeV = 2 MZ si identificano 2 muoni e 2 elettroni tali che  s (m+m-) = MZ  s (e+e-) = MZ allora  s (m+m- e+e-) = MH Se MH = 800 GeV il numero di eventi prodotti in un anno di run a bassa luminosità è 104 (109 eventi con jet di pT> 200 GeV)

47 La ricerca del bosone di Higgs sarà effettuata
anche in altri canali di decadimento Il potenziale di scoperta complessivo di ATLAS N eventi segnale N1/2 eventi fondo N(segnale) = N(totale)-N(fondo) 5 N1/2 = sN (fondo)  sN(totale) perché N(fondo)>>N(segnale) definisce la scoperta

48 La mole di eventi e di dati in ATLAS 1 pB = 1015 Byte
Se tutti gli eventi fossero registrati Il flusso di dati sarebbe 40TByte/s = 40 x 1012Byte/s

49 La selezione degli eventi prima (trigger di I e di II livello)
e durante l’acquisizione (filtro di eventi) L’elettronica di front-end deve avere capacità selettiva per gli eventi interessanti Successivo livello di selezione che coinvolge i rivelatori più lenti Selezione basata sulla ricostruzione complessiva dell’evento

50 campo magnetico toroidale per curvare le tracce dei muoni
Lo spettrometro consiste di RPC per l’identificazione veloce dei muoni (INFN Lecce, Roma, Napoli) e MDT per la misura del loro momento Gli RPC sono un elemento essenziale nel trigger di I livello campo magnetico toroidale per curvare le tracce dei muoni

51 Il lavoro dei fisici di ATLAS da oggi fino al 2006
In attesa della fisica e per poter fare della fisica Hardware: Costruzione dei rivelatori Test delle performances Assemblaggio al CERN Software: Sviluppo di tecniche di calibrazione dei rivelatori Sviluppo di tecniche di ricostruzione degli eventi Studio della strategia di analisi degli eventi A Lecce e` stata progettata la meccanica degli RPC A Lecce assemblaggio (1200 camere !) e test degli RPC (400 camere!) A Lecce studio di algoritmi di pattern recognition per la ricostruzione delle tracce di muoni nello spettrometro