Dottorato in Fisica XXI Ciclo Padova 15 Maggio 2006 Ezio Torassa Verifica del modello standard a LEP SLC e al Tevatron 1) Gli acceleratori LEP, SLC e Tevatron.

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1 Dottorato in Fisica XXI Ciclo Padova 15 Maggio 2006 Ezio Torassa Verifica del modello standard a LEP SLC e al Tevatron 1) Gli acceleratori LEP, SLC e Tevatron. Componenti di un collider, definizione e misure di luminosità. Componenti di un collider, definizione e misure di luminosità. 2) Sistemi complessi di rivelazione. I rivelatori DELPHI, SLD e CDF. I rivelatori DELPHI, SLD e CDF. 3) Modello Standard, decadimenti adronici e leptonici della Z. Line shape della Z. Line shape della Z. Misura della massa e della larghezza della Z. Misura della massa e della larghezza della Z. Numero di neutrini. Numero di neutrini. 4) Misura delle asimmetrie. Fit globali elettrodeboli. Fit globali elettrodeboli. 5) Ricerca dell'Higgs a LEP 1. 6) Produzione dei bosoni W+W- e misura di Mw a LEP 2. 7) Ricerca dell'Higgs a LEP 2 e ricerche di nuova fisica. 8) Scoperta del quark top e determinazione di Mtop.

2 Dottorato in Fisica XXI Ciclo Padova 15 Maggio 2006 Ezio Torassa Gli acceleratori LEP, SLC e Tevatron LargeElectronPositron collider 1989-1995 Ebeam_max = 55 GeV 1996-2000 Ebeam_max = 104.5 GeV e + e -  e + e -  , Z 0  W + W - StanfordLinearCollider 1989-1998 Ebeam_max = 50 GeV e + e - L/R  e + e -  , Z 0 Tevatron collider 1987-2009 Ebeam_max = 0.98 TeV ProgettoLuogoStima completamentoDescrizione LEPCERN198850×50 GeV e + e - SLCSLAC198750×50 GeV e + e - TevatronFermilab1986 1×1 TeV TristanKEK198630×30 GeV e + e - HeraDESY199030×820 Gev e - p UNKSerpukov1990600 GeV pSync Tabella R.Fernow (1986) LEP II - LHC PEP II Hera-b KEK-b

3 Dottorato in Fisica XXI Ciclo Padova 15 Maggio 2006 Ezio Torassa 4 esperimenti nei 4 punti di interazione LEP SPS Iniettore a 20 GeV LEP CERN Meyrin L3 ALEPH OPAL DELPHI 26659 m di circonferenza Accelerazione, deviazione e focalizzazione nel collisore Acceleratori non in scala

4 Dottorato in Fisica XXI Ciclo Padova 15 Maggio 2006 Ezio Torassa 2 Miglia di Lunghezza Accelerazione lineare, deviazione e focalizzazione nel collisore Elettroni polarizzati al 75% Piccola sezione del fascio nell’IP Rivelatore SLD SLC SLD SLCLEP (Z 0 ) “Circumference” 3 km27 km Beam Size IP 3x1 μm400x16 μm e - /bunch 4x10 10 30x10 10 Crossing Rate 120 Hz45 kHz Z/day/experiment 3,00030,000 e - polarization 75 %0

5 Dottorato in Fisica XXI Ciclo Padova 15 Maggio 2006 Ezio Torassa Tevatron Iniettore a 150 GeV D0 Tevatron CDF D0 CDF 6280 m di circonferenza Accelerazione, deviazione e focalizzazione nel collisore

6 Dottorato in Fisica XXI Ciclo Padova 15 Maggio 2006 Ezio Torassa Accelerazione Nell’acceleratore di Wideroe (1928) si applica una tensione alternata ad una sequenza di tubi di drift. gap le particelle non sentono campo accelerante quando si muovono all’interno di ciascun tubo di drift, la fase si inverte durante il tempo di volo nei tubi e la particella subisce progressive accelerazioni in corrispondenza dei gaps Si è poi passati all’accelerazione con campi a radiofrequenza: la struttura accelerante consiste in una cavità risonante in cui viene accumulata l’energia di campi elettromagnetici RF. Come nei tubi a drift il campo elettrico deve essere sincronizzato con il fascio.

7 Dottorato in Fisica XXI Ciclo Padova 15 Maggio 2006 Ezio Torassa La focalizzazione si ottiene mediante sequenze di celle ’FODO’ cella ‘FODO’ F D F L1 L2 Focalizzazione Quadrupolo Focalizzante (F) Focalizza orizzontalmente Defocalizza verticalmente Si ottiene ruotando il magnete di 90º Quadrupolo Defocalizzante (D) OO

8 Dottorato in Fisica XXI Ciclo Padova 15 Maggio 2006 Ezio Torassa Rappresentazione a matrice Nello spazio 2-D trasverso alla linea del fascio (z) la traiettoria può essere rappresentata da 2 vettori: I componenti che agiscono sul fascio possono essere rappresentati in approssimazione lineare da matrici 2x2: Percorso libero lunghezza L: Focalizzazione a distanza f: z x x1x1 x0x0 L zf x (direzione)

9 Dottorato in Fisica XXI Ciclo Padova 15 Maggio 2006 Ezio Torassa Matrice ’FODO’ con uguale intensità focalizzante e defocalizzante: ODO F Vincoli della matrice M: (1)In un sistema conservativo (Hamiltoniano) il teorema di Liouville enuncia la conservazione della densità dello spazio delle fasi  det M = 1 (2)Condizione necessaria di stabilità orbitale | tr M |  2 (autovalori matrici < 1) x x’ x x x O sempre focalizzante FO

10 Dottorato in Fisica XXI Ciclo Padova 15 Maggio 2006 Ezio Torassa L’approssimazione lineare consiste nel considerare l’intensità proporzionale allo spostamento: x y Indico con L la lunghezza del quadrupolo Variazione di direzione proporzionale alla coordinata (come nella lente focale) Fuoco del quadrupolo Tenere a mente che f dipende da p ()()

11 Dottorato in Fisica XXI Ciclo Padova 15 Maggio 2006 Ezio Torassa beam x’ x emittanza accettanza L’emittanza del fascio e’ l’area dell’elisse nello spazio (x, x’), contenente il 90 % del fascio stesso. Si esprime in mm x mrad. L’accettanza di un acceleratore e’ la massima emittanza da esso accettabile. - conservazione densità spazio delle fasi - (  )  = emittanza = costante (in x e y) La riduzione di  si puo’ effettuare con tecniche specifiche (raffreddamento stocastico)

12 Dottorato in Fisica XXI Ciclo Padova 15 Maggio 2006 Ezio Torassa QUADRUPOLI Particelle con diversa energia vengono focalizzate in modo diverso: aberrazione cromatica I sestupoli correggono l’effetto cromatico dei quadrupoli DIPOLI SESTUUPOLICAVITA’ RF Componenti di un collider

13 Dottorato in Fisica XXI Ciclo Padova 15 Maggio 2006 Ezio Torassa  E orbita = 4 / 3  Q 2  3  4 / R; @ LEP, = 4.25 × 10 3 m;   E e± orbita (MeV) = 8.85 × 10 -5 E 4 (GeV) / R (Km); in QED, la bremsstrahlung ha uno spettro di valori; la formula fornisce il valore medio E fascio (GeV)  s (GeV)  E orbita (GeV) 45900.085 901801.336 1002002.082 e±e±  Radiazione di sincrotrone

14 Dottorato in Fisica XXI Ciclo Padova 15 Maggio 2006 Ezio Torassa Definizione e misure di luminosità Luminosità integrata Efficienza (trigger+ricostruzione +selezione) [cm -2 sec -1 ]

15 Dottorato in Fisica XXI Ciclo Padova 15 Maggio 2006 Ezio Torassa LEP 1991: - Luminosità = 2.5 × 10 30 cm -2 sec -1 (  exp.) - Operatività = 135 giorni / 365 - = 50% L -  had (M Z )  40 nbarn Calcolare: - Luminosità integrata in un anno ? - N.ro di Z  had prodotte in un anno  exp. ? (1 barn = 10 -24 cm 2 ) Risultati: 10 7 sec / anno ∫ L = 12.5 pb -1 N = 500.000 Esercizio

16 Dottorato in Fisica XXI Ciclo Padova 15 Maggio 2006 Ezio Torassa Basata sul conteggio degli eventi di diffusione Bhabha a piccolo angolo: e- e+e+ e+e+  e-e- e + e -  e + e - Dominato dallo scambio di un fotone in “canale t”:  (deg) 45. 90. regione usata dai luminometri:  1-10 deg e+e+ e-e-  “canale s”  e+e+ e-e- Misura della luminosità a LEP Bhabha Homi Jehangir, fisico teorico indiano (Bombay 1909 – monte Bianco 1966)

17 Dottorato in Fisica XXI Ciclo Padova 15 Maggio 2006 Ezio Torassa e+e+ e-e-  t)   s) e+e+ e-e-  (s)-  (t)  (t)-  (t)  (s)-  (s) Z(s)-  (s) Z(s)-  (t) Z(t)-  (s) Z(t)-  (t) Z(s)-Z(s) Z(s)-Z(t) Z(t)-Z(t)  Z(s) e+e+ e-e- e+e+ e-e- Z  t) (elettroni non polarizzati)

18 Dottorato in Fisica XXI Ciclo Padova 15 Maggio 2006 Ezio Torassa bremsstrahlung, correzioni radiative ad un loop 84 86 88 90 92 94 96 98 1.006 1.004 1.002 1 0.998 0.996 0.994 0.092 0.09 QED ss 1 o ordine (BABAMC) 2 o ordine dal confronto di diversi calcoli teorici e dei diversi gradi di approssimazione perturbativa (=> includendo/escludendo termini “leading-logs” in  3 ):

19 Dottorato in Fisica XXI Ciclo Padova 15 Maggio 2006 Ezio Torassa Esempio di luminometro: Small Angle Tile Caloremeter (“STIC”, DELPHI) 47 sandwich di Piombo (3 mm) e Scintillatore (3 mm) X 0 Pb = 5.6 mm => 25 X 0 Luce raccolta da wavelength shifting fibers Il luminometro di DELPHI Copertura angolare: 1.7 – 10.6 deg STIC side A STIC side C campionamento in phi: 16 x 22.5 deg campionamento in r: 10 x 3 cm risoluzione in energia:  /E (%) = 13.5/  E  1.5 E in GeV risoluzione in phi: 1.2 deg risoluzione in r: 200  m

20 Dottorato in Fisica XXI Ciclo Padova 15 Maggio 2006 Ezio Torassa Si introduce una maschera per definire in modo preciso r min senza mascheracon maschera sistematiche STIC Raggio minimo Variazione IP D = 2200 mm 0.1 % per ogni mm  L/L = 0.1% = 0.06 % (IP)  0.04 % (Maschera)  Selezioni

21 Dottorato in Fisica XXI Ciclo Padova 15 Maggio 2006 Ezio Torassa Sistemi complessi di rivelazione I calorimeteri misurano l’energia e la posizione delle particelle mediante il loro totale assorbimento nel dispositivo. Il rivelatore di muoni è un dispositivo di tracciamento posto a valle dei calorimeteri.

22 Dottorato in Fisica XXI Ciclo Padova 15 Maggio 2006 Ezio Torassa Collider Targhetta fissa Ogni evento viene reccolto Sistema di trigger efficiente LHC L = 10 33  10 34 cm -2 sec -1 LEP L = 10 30  10 32 cm -2 sec -1 Fast Tracking   4 

23 Dottorato in Fisica XXI Ciclo Padova 15 Maggio 2006 Ezio Torassa DEtector with Lepton Photon Hadron Identification enfasi sulla identificazione di particelle: rivelatore dedicato: Ring ImagingCHerenkov [N.I.M. A303 (1991),233 “ A378(1996), 57] [N.I.M. A323 (1992),351] Rivelatore DELPHI

24 Dottorato in Fisica XXI Ciclo Padova 15 Maggio 2006 Ezio Torassa Dati di simulazione MonteCarlo Dati reali

25 Dottorato in Fisica XXI Ciclo Padova 15 Maggio 2006 Ezio Torassa Precision CCD Vertex Detector Central Drift Chamber (CDC) Cherenkov Ring Imaging Detector (CRID) Liquid Argon Calorimeter (LAC) Warm Iron Calorimeter (WIC) Compton Polarimeter [Phys.Rev.Lett. 70 (1993),2515] Rivelatore SLD

26 Dottorato in Fisica XXI Ciclo Padova 15 Maggio 2006 Ezio Torassa Compton Polarimeter = 75 % σ = 0.5 % Quartz Fiber Polarimeter and Polarized Gamma Counter – run on single e - beam + crosschecks = -0.02 ± 0.07 % Utilizza lo scattering Compton della luce polarizzata. L’angolo di scattering dipendente dallo spin dell’elettrone. Luce polarizzata Circolarmente (YAG Laser, 532 nm) elettroni diffusi Misura della polarizzazione

27 Dottorato in Fisica XXI Ciclo Padova 15 Maggio 2006 Ezio Torassa Rivelatore CDF Muon Detector Hadronic Calorimeter Electromagnetic Calorimeter Central Drift Chamber TOF (Time Of Flight) Silicon Vertex Detector Misura TOF => Misura  => Identificazione di particella

28 Dottorato in Fisica XXI Ciclo Padova 15 Maggio 2006 Ezio Torassa in “unità naturali” nel S.I. Definizioni X 0 distanza media nella quale un elettrone riduce la propria energia di un fattore 1/e per bremsstrahlung  e Z

29 Dottorato in Fisica XXI Ciclo Padova 15 Maggio 2006 Ezio Torassa Riferimenti Introduzione alla fisica delle particelle sperimentali: Introduction to experimental particle physics - Richard Fernow - Cambridge university press Introduzione agli acceleratori: humanresources.web.cern.ch/humanresources/external/training/tech/special/AXEL2006.asp Fisica Eltettrodebole: Z Physics at LEP I CERN 89-08 Vol 1 – Bhabha scattering (pag. 171) ( http: //weblib.cern.ch/ => link a “Yellow Reports” ) Luminometro di DELPHI: The small angle tile calorimeter in the DELPHI experiment N.I.M. A 425 (1999) 106-109