Masterclass 2013 – Prima Parte Stefano Marcellini – INFN Bologna (Quasi) tutto quello che ce da sapere sulla fisica delle particelle elementari 28/03/20141.

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1 Masterclass 2013 – Prima Parte Stefano Marcellini – INFN Bologna (Quasi) tutto quello che ce da sapere sulla fisica delle particelle elementari 28/03/20141

2 ν e ν μ ν τ e μ τ u c t d s b Q= 0 Q= -1 Q= +2/3 Q= -1/3 Le particelle fondamentali della natura hanno spin = ½ LEPTONI QUARK 3 famiglie …piu le corrispondenti antiparticelle 28/03/20142

3 Le Interazioni fondamentali Tutti i fenomeni che conosciamo sono interpretabili mediante 4 forze, ointerazioni fondamentali. 1)Int. GRAVITAZIONALE 2)Int. ELETTROMAGNETICA 3)Int. DEBOLE 4) Int. FORTE (o nucleare, o di colore) 28/03/20143

4 Le interazioni avvengono mediante scambio di particelle di spin intero (1 o 2), che si chiamanoportatori della forza Int. elettromagnetiche fotoni Int. deboli particelle W+, W-, Z Interazioni forti o di colore gluoni 28/03/20144

5 Interazione Elettromagnetica: scambio di fotoni Esempio: latomo elettrone nucleo 28/03/20145

6 particella A particella B Mediatore della forza, Scambiato tra A e B Interazione carica-mediatore Int. Gravitazionale: Gravitoni Int. Elettromagnetica: fotoniInt. forte: 8 tipi di gluoniInt. debole: W +, W -, Z o 28/03/20146

7 Esempio: decadimento Beta Quark dQuark u elettrone anti-neutrino W-W- neutrone protone La particella W vive per un tempo brevissimo: < 10 -23 s. E quindi assolutamente invisibile 28/03/20147

8 Due protoni vengono fatti urtare fra loro ad altissima energia (accelerati da un acceleratore) Quello che succede nellurto, avviene su scale spaziali piccolissime, tanto più piccole tanto maggiore è lenergia a cui avviene lurto. Lo studio dei prodotti della collisioni ci da le informazioni per capire cosa è avvenuto nellurto Cosa avviene concettualmente in un urto tra particelle ? 28/03/20148

9 9 Lago Lemano

10 Lunghezza 26,7 Km Velocita dei protoni : 99,9997828 % della velocita della luce 9300 magneti superconduttori, raffreddati a -271,3 gradi C = 1.9 K Pressione allinterno del tubo dellacceleratore 10 -13 atm (1 decimo che sulla luna) 40 milioni di collisioni al secondo Ogni esperimento di LHC riempira di dati lequivalente di 20 milioni di DVD ogni anno Costo : 6 miliardi di euro (pagato in circa 10 anni dagli stati membri del CERN su budget normale, senza richiesta di sovvenzioni speciali) Consumo energetico a pieno regime: 180 MWatt (meno di un decimo di tutto il cantone di Ginevra), fornito dalla societa elettrica francese. 28/03/201410 Alcune caratteristiche dellacceleratore

11 28/03/201411 LHC, pagato in 10 anni dallintera comunita scientifica internazionale, costa come: Una settimana di guerra in Iraq Un centesimo di quanto stanziato dagli USA per contrastare il crack delle banche Quanto viene speso al mondo in una settimana, per pubblicita Quattro bombardiari B-2 Meno di un centesimo della spesa militare mondiale annua

12 28/03/201412 1 anno di Formula 1 costa piu del piu costoso dei 4 esperimenti di LHC. Toyota 2005: 500 M$ Costo Parlamento italiano Montecitorio 940 M/anno Molto più del budget annuo CERN (650 M) 1 Km di alta velocità: 60-65 M/km. TAV MI-TO 125 km – 7.8 G (più di tutto LHC !!!) (fonte: Il Sole 24 ore)

13 28/03/201413 LHC e costato ad ogni cittadino italiano: 1 euro e 20 centesimi lanno, per 10 anni. Per ogni euro speso dallo stato italiano per LHC, 1 euro e mezzo e rientrato come commesse alle industrie italiane. La ricerca scientifica e anche un ottimo ritorno economico !

14 Idealmente, per ogni interazione fra particelle prodotte in un acceleratore, vorremmo disporre di un apparato in grado di: Misurare limpulso e la direzione di tutte le particelle prodotte Identificare tutte le particelle prodotte Misurare se sono state prodotte nel vertice di interazione o altrove 1428/03/2014

15 Un rivelatore di particelle idealmente deve poter fare tutto questo. 1528/03/2014

16 Particelle ad alto momento trasverso p t Direzione del fascio di protoni incidente Impulso della particella p Momento trasverso p t 28/03/201416

17 Particelle ad alto momento trasverso p t Direzione del fascio di protoni incidente Impulso della particella p Momento trasverso p t 28/03/201417

18 Stato finale tipico di LHC: molte particelle di basso p t. Stato finale molto piu raro a LHC: molte particelle di basso pt, ma anche alcune ad alto p t. Sono gli eventi interessanti che bisogna selezionare. Sono una frazione di molti ordini di grandezza inferiore CMS e ATLAS sono pensati per studiare soprattuto questo tipo di eventi 28/03/201418

19 Struttura del protone 2 quark di tipo u: carica +2/3 1 quark di tipo d: carica -1/3 N gluoni: carica elettrica nulla (ma trasportano la carica forte o di colore) 28/03/201419

20 28/03/201420 Informazioni utili per lesercizio di oggi pomeriggio: la particella Z o Quark u Elettrone muone protone La particella Z vive per un tempo brevissimo: 10 -25 s E quindi assolutamente invisibile, ma… Quark u ZoZo Anti – elettrone Anti – muone E responsabile delle interazioni deboli neutre La Z ha una massa di circa 91 GeV: circa 91 volte la massa del protone

21 28/03/201421 La Z o vive pochissimo e poi decade trasformandosi in coppie di particella-antiparticella. (es: elettrone-antielettrone oppure muone-antimuone) La misura della massa invariante di queste coppie contiene il ricordo del fatto che esse sono state prodotte dal decadimento della Z o di altre particelle.

22 28/03/201422 Perche non si osserva una massa ben precisa ? Particella che nasce e muore in un tempo brevissimo: si puo fare a patto che la sua massa (energia) sia indeterminata: Principio di indeterminazione di Heisenberg: ΔE ·Δt > h

23 28/03/201423 Bosone di Higgs Particella di spin zero (bosone). Linterazione delle particelle fondamentali con il campo di Higgs fa loro acquisire la massa 2 fotoni nello stato finale: raro ma abbastanza chiaro 4 leptoni nello stato finale: Fondo relativamente basso

24 28/03/201424 Bosone di Higgs: Massa = 125 GeV

25 28/03/201425 Esercizio di oggi pomeriggio: Ricerca di eventi in cui e stata prodotta una particella Z nei suoi decadimenti in coppie di elettroni o muoni Piu in generale ricerca di eventi con coppie di elettroni o muoni, che possono evidenziare la produzione di particelle particolari Selezione di questo tipo di eventi rispetto agli eventi di fondo Ricerca di eventi con una coppia di fotoni energetici. Sono eventi allinterno dei quali e ricercata lesistenza del bosone di Higgs. Ricerca di eventi con 4 elettroni, oppure 4 muoni, oppure 2 elettroni e 2 muoni. Anche questi eventi sono utilizzati per cercare il bosone di Higgs. NB. Solo pochi eventi in tutto !

26 Eventi di decadimento della Z (per lesercizio che farete oggi) Stati finali con 2 elettroni Stati finali con 2 muoni 28/03/201426 Energia trasversa mancante, MET ~ 0 NB. Cariche elettriche sempre opposte !!!

27 Perche trasversa ? Direzione del fascio di protoni incidente Impulso della particella p Momento trasverso p t Gli impulsi dei due partoni iniziali non sono uguali !!! Invece nel piano trasverso P t = 0 prima, e P t = 0 dopo !!! 28/03/201427

28 Decadimento delle particelle W (fondo) Stati finali con elettroni Stati finali con muoni N.B. i neutrini si manifestano come energia trasversa mancante (MET) nellevento 28/03/201428

29 28/03/201429 Z (Zeta primo) In linea di principio e possiibile che esistano replica pesanti della Z E cercata come la Z, in coppie di 2e oppure 2µ Nei dati che analizzerete sono inseriti alcuni eventi simulati di Z. Vediamo se li scoprirete e come

30 Un elettrone si riconosce da: -Una traccia nel tracciatore interno -Un importante deposito di energia nel calorimetro elettromagnetico con energia simile a quella della traccia -Nessun deposito di energia nel calorimetro adronico -Nessun segnale nelle camere a muoni Un muone si riconosce da: -Una traccia nel tracciatore interno -Un modesto depositio di energia nel calorimetro elettromagnetico -Un modesto depositio di energia nel calorimetro adronico -Segnali in una o piu camere del rivelatore a muoni Promemoria 28/03/201430

31 31 21st April 2008 Fergus Wilson, RAL