Fisica delle Particelle Elementari

Presentazione sul tema: "Fisica delle Particelle Elementari"— Transcript della presentazione:

1 Fisica delle Particelle Elementari
Mario Paolo Giordani Università degli Studi di Udine Masterclass 2007

2 Atomo di carbonio (12C): 6 n = udd
Il Modello Standard QUARK LEPTONI m [MeV/c] Q [e] +2/3 –1/3 –1 6 p = uud Atomo di carbonio (12C): 6 n = udd 6 e Mario Paolo Giordani

3 I fermioni Componenti fondamentali della materia 1a generazione
27 Perchè 3 famiglie? Ce ne sono Altre? Mario Paolo Giordani

4 I bosoni Mediatori delle forze interazione = scambio di bosoni Forza
Intensità Bosoni mediatori Avviene in: Forte Nucleare ~1 Gluoni (senza massa) Nuclei atomici Elettromagnetica ~10–3 Fotoni Livelli atomici Debole Nucleare ~10–5 W+,W–,Z0 (pesanti) Disintegrazione radioattiva  Gravitazione ~10–38 Gravitoni (?) Corpi massicci Mario Paolo Giordani

5 Il problema della massa
La massa: ruolo particolare nelle leggi dell’Universo principi della dinamica, meccanica celeste... Nonostante ciò, la sua origine rimane un mistero Come se la cava il Modello Standard? Osserviamo che: massa fermioni spesso trascurabile rispetto alle energie in gioco fermioni di diverse generazioni esibiscono comportamento simile la dinamica è regolata da precise simmetrie, ricavate in modo empirico interpretando i dati sperimentali Punto di partenza: teoria a fermioni privi di massa qualunque tentativo di conferire massa ai fermioni comporta inevitabilmente una violazione esplicita della simmetria e al collasso della teoria stessa Mario Paolo Giordani

6 Il meccanismo di Higgs Conferisce massa ai fermioni e bosoni del Modello Standard senza distruggerne la simmetria introduce ulteriori campi (particelle) nella teoria nel rispetto della simmetria originale tali campi interagiscono fra loro la loro interazione è descritta da una funzione (potenziale) il potenziale è simmetrico infiniti stati di vuoto possibili la scelta di uno stato di vuoto rompe la simmetria rottura spontanea della simmetria stato di vuoto = minima energia Mario Paolo Giordani

7 Il bosone di Higgs Risultato del meccanismo di Higgs:
rottura spontanea della simmetria conferisce direttamente massa a Z0,W± ma non al fotone () prezzo da pagare: bosone di Higgs massiccio (auto-interazione) massa ignota (parametro libero) interazioni con il bosone di Higgs fermioni acquistano massa masse diverse = interazioni diverse candidato Higgs a LEP Mario Paolo Giordani

8 Fisica delle alte energie
Perchè? Il bosone di Higgs è pesante Altre nuove particelle oltre l’orizzonte esplorato? Come? Collisioni fra particelle bersaglio fisso: energia in parte sprecata fasci incrociati: con fasci stabili √Efascio energia liberata nell’urto 2Efascio Mario Paolo Giordani

9 Il CERN Comitato Europeo per le Ricerche Nucleari
Lo statuto del CERN recita: L’Organizzazione deve realizzare la collaborazione tra gli Stati Europei per la ricerca nucleare di carattere strettamente scientifico e fondamentale e per ricerche strettamente connesse ad essa. L’Organizzazione non deve essere coinvolta in attivita’ di natura militare ed i risultati ottenuti dalle ricerche effettuate devono essere pubblicati o comunque resi pubblici. Mario Paolo Giordani

10 Gli Stati membri 20 Stati membri
Osservatori: Israele, Turchia, USA, Giappone, Russia Mario Paolo Giordani

11 Il Laboratorio Mario Paolo Giordani

12 Il Large Hadron Collider (LHC)
tunnel di 27km di circonferenza fasci incrociati di protoni a 7TeV 2835 pacchetti per fascio 1011 protoni per pacchetto incrocio dei fasci ogni 25ns (40MHz) 1GHz di collisioni protone-protone dimensione rivelatore: 45mx25mx25m l’energia cinetica di... un protone a 7TeV = zanzara in volo fascio a 7TeV = Boeing 777 in decollo Mario Paolo Giordani

13 LHC dall’interno... Mario Paolo Giordani

14 Le collisioni elastiche
Collisione elastica: entrambi i protoni riemergono intatti dall’urto i protoni si comportano come particelle elementari molto frequente (elevata probabilità) effetti concentrati in direzione dei fasci Mario Paolo Giordani

15 Le collisioni anelastiche
Collisione anelastica: disintegrazione dei protoni iniziali l’urto effettivo avviene fra due quark non tutta l’energia dei protoni partecipa all’urto nuove particelle possono emergere dall’interazione eventi più centrali Mario Paolo Giordani

16 I rivelatori di LHC CMS Mario Paolo Giordani

17 A Toroidal Lhc ApparatuS (ATLAS)
108 Canali elettronica 7000 t Peso 22 m Diametro 44 m Lunghezza 150 istituzioni 1800 scienziati Mario Paolo Giordani

18 Interazioni radiazione-materia
Condizionano la risposta dei rivelatori ogni particella caratterizzata da una “firma” metodi di identificazione di particelle e g elettroni & fotoni n neutrini jet quark & gluoni. muoni  acciaio calorimetro adronico solenoide dispositivo di tracciatura camere a muoni elettromagnetico Mario Paolo Giordani

19 Il processamento del segnale
1000 particelle prodotte per evento eventi su nastro: 100Hz eventi in entrata: 100MHz Mario Paolo Giordani

20 La ricostruzione di un evento
Tevatron: 2TeV LHC: 14TeV Mario Paolo Giordani

21 Analisi statistica dei dati
Gli eventi ricostruiti vengono analizzati diverse variabili studiate su base statistica quantità osservate comparate con la teoria massiccio uso delle tecniche di simulazione (Monte Carlo) Esempio: ppHZZµµµµ H Z p + - diverse ipotesi di segnale fondi dominanti Mario Paolo Giordani

22 Alla ricerca del segnale
Quale segnale? In generale un’evidenza di collisione anelastica Ad esempio: Oppure: un bosone di Higgs prodotto ogni 1011 eventi Come cercare un ago in un pagliaio... Processo Eventi/s Eventi/y bb 106 1012 Zee ~3 107 We ~30 108 WWeX 10-2 6103 tt ~2 H(700 GeV) 210-3 104 Mario Paolo Giordani

23 Cercando il bosone di Higgs...
Il bosone di Higgs può manifestarsi in molti modi Lo stato finale dipende: dal processo di produzione dal modo di decadimento “Canali dorati” (come ppHZZµµµµ) stati finali difficilmente imitabili dal fondo solo tracce con pT>25GeV/c Mario Paolo Giordani

24 ...che cosa impareremmo da LHC?
Ipotesi 1: il bosone di Higgs viene scoperto N-esima conferma del Modello Standard misura della sua massa è compatibile con i vincoli del modello? misura delle sue proprietà nuova era di misure di precisione Ipotesi 2: il bosone di Higgs non si trova il Modello Standard va in crisi necessario studiare una nuova teoria In ogni caso: la fisica delle alte energie non finisce qui... ...e nemmeno il compito dell’LHC Mario Paolo Giordani

25 Oltre il Modello Standard
Il Modello Standard sopravvive dal 1967 innumerevoli test di precisione nessuna discrepanza significativa unico “problema”: bosone di Higgs ancora evanescente Tuttavia, non è una vera teoria... numerosi parametri liberi per adattarsi alla realtà ...né può considerarsi definitivo nessuna descrizione della gravità alcune perplessità teoriche ancora insolute Diverse idee per spingersi oltre Mario Paolo Giordani

26 La Supersimmetria Prevede un ampliamento della simmetria
Simmetria radiazione – materia Risolve i problemi del Modello Standard ma richiede l’esistenza di una famiglia di bosoni di Higgs consente l’integrazione della gravità Inoltre: suggerisce una soluzione al problema della materia oscura unificazione delle forze come conseguenza robusta da un punto di vista teorico Tuttavia: spettro più che raddoppiato nessuno stato supersimmetrico è stato scoperto la supersimmetria – se esiste – è violata Mario Paolo Giordani

27 Le extra-dimensioni Prevede uno spazio con più di 4 dimensioni
Il Modello Standard vive nello spazio ordinario Solo la gravità penetra le extra-dimensioni Gravità intensa come le altre forze fattore di diluizione dovuto alle extra-dimensioni Prevede il gravitone (bosone mediatore della gravità) interagisce con le particelle ordinarie Mario Paolo Giordani

28 La grande unificazione (GUT)
Mario Paolo Giordani

29 La nuova frontiera LHC: una vera macchina da scoperta
Energia mai raggiunta prima Possibili eventi spettacolari creazione e decadimento di un buco nero Mario Paolo Giordani