Highlights in Physics 2005 Attilio Andreazza 1 Milano 11/10/2005 La fisica delle particelle elementari, dall’asimmetria materia-antimateria all’origine.

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2 Highlights in Physics 2005 Attilio Andreazza 1 Milano 11/10/2005 La fisica delle particelle elementari, dall’asimmetria materia-antimateria all’origine delle masse A. Andreazza, Università di Milano and INFN in rappresentanza dei gruppi di Milano degli esperimenti: FOCUS BaBar ATLAS

3 Highlights in Physics 2005 Attilio Andreazza 2 Milano 11/10/2005 Indice La fisica dei quark pesanti: –violazione di CP e matrice di Cabibbo-Kobayashi-Maskawa –la fisica del c a FOCUS –la fisica del b a BaBar La ricerca del bosone di Higgs: –l’eredità di LEP –l’esperimento ATLAS a LHC –ricerca dell’Higgs in ATLAS.

4 Highlights in Physics 2005 Attilio Andreazza 3 Milano 11/10/2005 Materia e anti-materia È “ovvio” che l’anti-materia è diversa dalla materia. Eppure è cosí uguale: –particelle ed antiparticelle hanno stessa massa; –hanno “cariche” (carica elettrica, isospin, numero barionico) esattamente opposte; –nei processi di produzione ed annichilazione vengono coinvolte lo stesso numero di particelle ed antiparticelle. Capire qual è l’origine dell’asimmetria tra materia ed antimateria nel nostro universo è una delle domande fondamentali a cui cerca di rispondere la fisica delle particelle.

5 Highlights in Physics 2005 Attilio Andreazza 4 Milano 11/10/2005 Violazione di CP La prima differenza tra materia e antimateria fu osservata da Fitch e Cronin nel 1964: –in interazioni protone-nucleo si producono e. –Questi non sono autostati di massa, ma misture di due autostati e con vite medie molto diverse. –Facendo decadere tutti i si trova un fascio puro di. –Si osserva che nel la componente di è maggiore di quella di. Fino a pochi anni fa questa era l’unica asimmetria osservata.

6 Highlights in Physics 2005 Attilio Andreazza 5 Milano 11/10/2005 Matrice CKM (quasi) Tutte le transizione dei leptoni avvengono solo all’interno di una stessa famiglia; mentre nelle interazioni deboli dei quark, transizioni tra tutte le famiglie sono possibili. Queste transizioni sono pesate dagli elementi di una matrice. Nel Modello Standard: –la matrice CKM è unitaria –la violazione di CP si può descrivere attraverso la presenza di valori complessi nella matrice. Gli elementi di matrice si possono studiare tramite i decadimenti deboli degli adroni. uct dsb e   e-e- -- --

7 Highlights in Physics 2005 Attilio Andreazza 6 Milano 11/10/2005 L’esperimento FOCUS (Fermilab, Chicago) Produzione di charm mediante fotoni da 200 GeV incidenti su bersaglio di Be. Collaborazione costituita da ~110 fisici: –USA –Italia ~40% (Milano, Frascati, Pavia) –Brasile –Messico –Corea Dati raccolti nel 1996-7. Oltre 10 6 particelle charmate ricostruite. PWC Vertexing Cerenkov Muon id

8 Highlights in Physics 2005 Attilio Andreazza 7 Milano 11/10/2005 Rivelatori di vertice Particelle con quark c o b hanno vite medie  = 0.5 – 1.5 ps, se non sono prodotte in quiete: –la vita media si estende del fattore di dilatazione relativistico  =E/m –la lunghezza media percorsa prima di decadere L~  c  –l’angolo di decadimento  ~1/  –da cui il parametro di impatto d=Lsin  ~ c  = 150 – 450  m indipendentemente dall’energia. Per studiare adroni con quark b e c servono rivelatori con risoluzioni spaziali «100  m. Rivelatori a silicio: –a microstrip (FOCUS, BABAR) –a pixel (ATLAS) necessari quanto la densità di tracce è elevata. B/D L  d

9 Highlights in Physics 2005 Attilio Andreazza 8 Milano 11/10/2005 Vite medie del quark c FOCUS ha misurato la vita media di mesoni e barioni charmati. Insieme al branching ratio per decadimenti semileptonici, entrano nella determinazione di V cs. Mentre le larghezze semileptoniche sono molto simili, differenze nella larghezza totale tra le varie particelle dipendono dalle interazioni forti: informazioni sulla dinamica degli adroni.

10 Highlights in Physics 2005 Attilio Andreazza 9 Milano 11/10/2005 Analisi dei plot di Dalitz L’esperimento cerca di applicare al settore del c metodi di analisi classici nella spettroscopia di quark leggeri, utilizzabili quando una descrizione perturbativa del sistema non è adeguata. Esempio: Dalitz plots –variabili in cui il fattore di spazio delle fasi è uniforme; –la presenza di strutture è frutto della dinamica del sistema. Metodi di interesse nel futuro per l’analisi di decadimenti esclusivi del b. decay channel Low mass High mass phase (deg) fit fractions (%) D s  +  -  +

11 Highlights in Physics 2005 Attilio Andreazza 10 Milano 11/10/2005 L’esperimento BaBar (SLAC, San Francisco) Collisionatore e + e - a fasci asimmetrici sulla risonanza  (4s) Collaborazione di 600 fisici di 10 nazioni, Inizio della presa dati nel 1999, durata prevista fino al 2008. Prodotte più di 250×10 6 coppie  s [GeV]  (e + e -  adroni)/  (e + e -  µ + µ - )  (4s)  B factory

12 Highlights in Physics 2005 Attilio Andreazza 11 Milano 11/10/2005 Oscillazioni Essendo possibili delle transizioni da a, un mesone oscilla tra un sapore e l’altro secondo l’Hamiltoniana di mixing. Nel decadimento della  (4s), i due mesoni sono in uno stato coerente ed oscillano insieme. Non appena uno dei due decade in uno stato identificabile come o, l’altro mesone inizia ad oscillare indipendentemente: Con fasci asimmetrici, si produce una  (4s) in moto e si tramuta la separazione di tempo tra i due decadimenti in una separazione spaziale. B tagging L=  c  t

13 Highlights in Physics 2005 Attilio Andreazza 12 Milano 11/10/2005 B 0  J/  K S Se si sceglie un canale di decadimento dei B 0 che sia un autostato di CP (e quindi accessibile sia da particella che da antiparticella), si può definire un’asimmetria di CP: Nel caso di J/  K S, si ha che BaBar è stato il primo esperimento ad osservare violazione di CP nel sistema del B, già nel 2001!  e si è passati rapidamente da fisica di scoperta a fisica di precisione! jkjjk BABAR PUB-04/038

14 Highlights in Physics 2005 Attilio Andreazza 13 Milano 11/10/2005 B 0   ’ K S La grande mole di dati permette di accedere allo studio di decadimenti molto rari. Il decadimento B 0   ’ K S, con BR di ~60×10 -6 è atteso essere dominato da processi di ordine superiore: rispetto al processo al primo ordine, che risulta essere soppresso O(10 -2 ). Il risultato sperimentale:  ( ) = 0.30±0.14 differisce di 3  dal valore atteso  ( ) = sin 2  = 0.722 Evidenza di contributi non previsti dal modello standard?

15 Highlights in Physics 2005 Attilio Andreazza 14 Milano 11/10/2005 Il bosone di Higgs La matrice CKM ha la sua origine dal fatto che gli autostati di massa dei quark sono diversi da quelli che partecipano nelle interazioni deboli. Le interazioni deboli non sono veramente deboli, ci appaiono come tali a bassa energia solo perché i loro mediatori sono particelle massive. Nel Modello Standard le masse sono generate dalle interazioni delle particelle con un nuovo campo: il bosone di Higgs L’unico componente del Modello Standard non ancora osservato!

16 Highlights in Physics 2005 Attilio Andreazza 15 Milano 11/10/2005 L’eredità di LEP Large Electron Positron collider: –energia nel centro di massa da 90 a 210 GeV –luminosità 10 32 cm -2 s -1 –presa dati dal 1989 al 2000 Misure di precisione del Modello Standard: –m Z = 91.1875 ± 0.0031 GeV/c 2 –m W = 80.392 ± 0.039 GeV/c 2 –N = 2.9840 ± 0.0082 –m t = 173 +13 -10 GeV/c 2 da misure indirette (da confrontarsi con la misura diretta 172.7 ±2.9 al Tevatron)

17 Highlights in Physics 2005 Attilio Andreazza 16 Milano 11/10/2005 L’eredità di LEP: limite diretto Ricerca del bosone di Higgs nella reazione: Il limite cinematico accessibile è dato da: Il numero di eventi candidati osservati è confrontabile con il fondo atteso: candidato H candidato bb+qq

18 Highlights in Physics 2005 Attilio Andreazza 17 Milano 11/10/2005 L’eredità di LEP: limite indiretto Le osservabili elettrodeboli sono sensibili alla massa del bosone di Higgs. Come per la massa del top, anche per l’Higgs si può determinare un limite indiretto. Favorito un bosone di Higgs “leggero”

19 Highlights in Physics 2005 Attilio Andreazza 18 Milano 11/10/2005 LHC Large Hadron Collider: –collisionatore pp –14 TeV nel centro di massa –luminosità 10 34 cm -2 s -1 –inizio della presa dati fine 2007 –stesso sito del LEP Quattro esperimenti principali: –ATLAS –CMS –LHC-b (fisica del b) –ALICE (collisioni con ioni pesanti)

20 Highlights in Physics 2005 Attilio Andreazza 19 Milano 11/10/2005 A Toroidal L HC ApparatuS ATLAS è uno dei due esperimenti “universali” a LHC. 45 m di lunghezza × 22 m di diametro Collaborazione di circa 2000 persone, di 150 istituti da 34 paesi. Gruppi di Milano: rivelatore a Pixel calorimetro a LAr toroide superconduttore

21 Highlights in Physics 2005 Attilio Andreazza 20 Milano 11/10/2005 Produzione di Higgs a LHC Il meccanismo di produzione principale è la fusione di gluoni, 10 4 – 10 6 bosoni di Higgs prodotti per anno di presa dati. 1 anno di LHC

22 Highlights in Physics 2005 Attilio Andreazza 21 Milano 11/10/2005 Decadimenti dell’Higgs Il bosone di Higgs “ama” le particelle massive. Se possibile decade in coppie di bosoni vettori: Higgs “pesante” altrimenti decade nella coppia di fermioni più pesante accessibile: Higgs “leggero” Nella regione di transizione, attorno a m H =130 GeV, è accessibile anche il decadimento raro in . 10 2 10 3 M H [GeV/c 2 ]

23 Highlights in Physics 2005 Attilio Andreazza 22 Milano 11/10/2005 L’Higgs leggero a LHC Il caso di Higgs leggero, favorito dalle osservazioni di LEP, è anche il più difficile da osservare: –decadimento dominante: H  bb –sezione d’urto del fondo:  (bb)=O(10 -1 mb)~10 7  (H) Per ridurre il fondo si deve ricorrere: –ad eventi molto rari: –a produzione associata: Critiche le prestazioni del rivelatore! ATLAS 100 fb -1 m H =120 GeV ~ 1600 eventi nel picco ATLAS 100 fb -1 H  ttH

24 Highlights in Physics 2005 Attilio Andreazza 23 Milano 11/10/2005 Calorimetro a LiquidArgon Obiettivo: –Misura dell’energia di e ± e . –Identificazione di e ± –Separazione  0 /  –Trigger sull’energia elettromagnetica Copertura (barrel) –|z|<3.2 m –1.4 < r < 2 m –spessore 22 – 33 X 0 Operazione a 90 K Granularità  ×  =0.025 ×0.025 Risoluzione energetica

25 Highlights in Physics 2005 Attilio Andreazza 24 Milano 11/10/2005 ATLAS Pixel Detector ~1850 mm ~380 mm Il rivelatore a pixel è il rivelatore di vertice dell’esperimento ATLAS Consiste di tre cilindri (il più interno a R=5.1 cm dalla regione di interazione) e sei dischi, con copertura angolare |  |  2.5 o |cos  |<0.98. Pixels 50 µ (R  ) × 400 µm (z) 80 milioni di canali su un’area sensibile di 1.7 m 2. Opererà a -7ºC all’interno di un campo magnetico solenoidale di 2 T. Prestazioni determinate da test su fascio: –resistenza alle radiazioni fino a 50 MRad o 10 15 n eq /cm 2 (10 anni di vita a LHC) –risoluzione 7  10 µm –efficienza 99.9  98 %

26 Highlights in Physics 2005 Attilio Andreazza 25 Milano 11/10/2005 Higgs “pesante” (m H >130 GeV) Non appena il decadimento in coppie di bosoni vettori diventa significativo, diventano accessibili dei canali praticamente privi di fondo. H  ZZ (*)  l + l - l + l -, l=e,  H  WW (*)  l + l -, l=e,  L’aspetto critico in questi canali è l’identificazione dei leptoni: –e ± nel calorimetro LAr –µ ± nel toroide ATLAS barrel H  ZZ *  ee  (m H = 130 GeV)

27 Highlights in Physics 2005 Attilio Andreazza 26 Milano 11/10/2005 Ma LHC non è solo Higgs... Combinando i vari canali di ricerca, in un anno di presa dati alla luminosità di design, ATLAS e CMS dovrebbero essere in grado di coprire tutto il range possibile di masse del bosone di Higgs.

28 Highlights in Physics 2005 Attilio Andreazza 27 Milano 11/10/2005 La fisica di LHC non si esaurisce con la ricerca del bosone di Higgs: –ricerca di nuove particelle, in particolare supersimmetria –estensioni del modello di Higgs Fit function    →    l + l - contribution    →    l + l - contribution Z → l + l - Invariant mass of electron or muon pairs (GeV) Reconstructed tau-tau invariant mass

29 Highlights in Physics 2005 Attilio Andreazza 28 Milano 11/10/2005 ATLAS esiste! Il montaggio del rivelatore procede a pieno ritmo al CERN. Installate le bobine del toroide (grosso contributo del LASA) Calorimetri già in caverna. Primi eventi con raggi cosmici. I pixel corrono per arrivare in tempo al primo fascio atteso per la fine del 2007.

30 Highlights in Physics 2005 Attilio Andreazza 29 Milano 11/10/2005 Conclusioni La fisica delle particelle è guidata dal desiderio di capire perché l’universo in cui viviamo è fatto cosí. In questa ricerca gli esperimenti agli acceleratori cercano di accedere a nuovi fenomeni esplorando la frontiera: –dell’alta densità di energia; –dell’alta luminosità. Il Dipartimento di Fisica e la Sezione INFN di Milano sono in prima linea in questa ricerca. Un grosso grazie a T. Lari, A. Lazzaro, S. Malvezzi, F. Palombo, D. Pedrini e F. Tartarelli, che mi hanno aiutato a preparare questo sommario.

31 Highlights in Physics 2005 Attilio Andreazza 30 Milano 11/10/2005 The Higgs Cartoon http://atlas.ch/etours_physics/etours_physics10.html

32 Highlights in Physics 2005 Attilio Andreazza 31 Milano 11/10/2005 Moduli dei pixel 16 FE chips HV Module Controller Chip Sensore Flex hybrid Pigtail Minima unità autoconsistente. Sensore (Oxygenated FZ Silicon) : –area attiva 60.8 × 16.4 mm 2 –spessore 250  m –pixel 50  m (R  ) × 400  m (Z) –pixel “speciali” (ganged e lunghi) per coprire le regioni morte tra i chip di Front-end. Elettronica di Front-end: –16 FE-I3 chips in tecnologia IBM 0.25  m IBM, realizzata con caratteristiche rad-hard; –46080 canali/modulo Connessione tramite bump- bonding: –SnPb (IZM, Berlino) –Indio (Alenia, Roma) Flex hybrid: –Module Controller Chip per la comunicazione e raccolta dati; –filtri sulle alimentazioni, monitoraggio della temperature.

33 Highlights in Physics 2005 Attilio Andreazza 32 Milano 11/10/2005 Funzionamento Strati di –Assorbitore: Pb –Materiale sensibile: LAr Geometria a fisarmonica: –assenza di regioni morte. E

34 Highlights in Physics 2005 Attilio Andreazza 33 Milano 11/10/2005 Lo stato del triangolo unitario KK