Fisica agli Fisica agli Acceleratori di Acceleratori di ParticelleParticelle

Stefania SpagnoloDipartimento di Fisica e Sezione INFN, Lecce

Il Modello Standard (MS)

La teoria dei costituenti ultimi della materia e delle loro interazioni

Gli esperimenti agli acceleratori

La predittivita` della teoria e le misure

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

Il Modello Standard

e e

_ _ _

d s b

e- - - + + e+

u c t t c u

b s d

_ _ _

_ _ _

Z,

Z,

Z

W

W

leptoni

quark

anti-materia materia

… gli ingredienti

W

W

bosoni vettori

Il Modello Standard

e

e- - -

u c t

Z,

Z

W

Wd s b

leptoni

quark

materia

… gli ingredienti

1.8 GeV

175 GeV

4.5 GeV

1 GeV = massadel protone

Spin 1/2

Spin 1/2

Spin 1

1.5 GeV

0.106 GeV

3 MeV

6 MeV 0.125 GeV

0.5 MeV

91 GeV

80 GeV

Q=2/3

Q=-1/3

Q 0

Q=-1

_

protone

I colori: le cariche delleinterazioni forti

Cosa accede se si produce una coppia qq di alta energia

qq

g(gluone)

le interazioni forti

Il Modello StandardUna teoria di campo “gauge invariante”

Una Lagrangiana con un alto grado di simmetria

L = particelle di materia libere + bosoni vettori liberi + interazione materia-bosoni + interazioni bosoni-bosoni + XXX

L

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)

Processi elementariLa probabilità di un processo è espressa dal concetto di sezione d’ urto

Misurata in cm2 più spesso in pb 10-24 cm2 = 1 pb

Aampiezza di

scattering(complesse)

~ |i Ai |2

In generale piu`diagrammi contribuiscono a un processo

Le ampiezze interferiscono nella sezione d’urto

diagramma di Feynman

Intervengono i vertici consentiti dalla Lagrangiana

tempo

Il numero di vertici definisce l’ordine dello sviluppo perturbativo

Calcolata con tecniche perturbative

42

Occorre descrivere la cinematica dell’urtoin relatività ristretta applicando la conservazione dell’energia e dell’impulso

_ s = (|i Ei|2 - |i pi|2 )1/2 Invariante relativistico

Nel sistema del c.m. p = 0 e

s = energia totale_

tempo

Particelle prodotte(stato finale)

Particelle interagenti

predizione teorica

Serie di diagrammi di Feynman

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)

elettroniprotonianti-eletronianti-protoni

Gli acceleratori e gli esperimenti

A bersaglio fisso

Colliders

Accumulatori

s = ( ((m2 +p 2)1/2 +M)2 - p2 )1/2

= ( 2Mp )1/2

s = E1 +E2 = = 2p

Accelerando protoni fino a 100 GeVè possibile produrre particelle di massa< 14 GeV in esperimenti a FT < 200 GeV in esperimenti a collider

(FT)

lineari o

circolari

I Colliders

Si classificano principalmente in base a

Tipo di particelle accelerate

s = Ecm (energia nel centro di massa)

Luminosità L

p, m -p, m

N eventi prodotti = L tN eventi prodotti = L t

Determina il tipo di processi accessibili alla soglia di energia disponibile

L = f n1 n2

4xy ______

I fasci sono costituiti da pacchetti di particelle ( n per pacchetto ) di dimensioni xy e collidono con frequenza f x e y sono dell’ordine di 10 - 100 m

Collider circolari

LEP LHC

1032 cm-2s-1 1034 cm-2s-1

210 GeV 14 TeVe+e- pp

22s 25ns45x1010 10.5x1010

luminosità

Ecm

particelle

Tempo tra 2 collisioni dei fasci

Particelle in un pacchetto

Rivelatori ai colliders

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

Struttura a “cipolla”

Le particelle scoperte dal 1960 a oggi…

… e il ruolo degliacceleratori

10 Nov. 1974MARK I at SPEARSLAC

In urti e+e- si osserva per la prima volta la J/particella costituita da un quark e un antiquark cm(J/) = 3.1 GeV (3 volte la massa del protone)

MARK I’ J/

J/ e+e-

1980 at the Cornell Electron Storage Ring (CESR)

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

La e`riconosciuta come lo stato a energia piu` bassa del sistema legato bb

_

Il leptone piu` pesante

1975 SPEAR (urti e+e-)M. Perl osserva eventi conun elettrone e un muone

Premio Nobel nel 1995

Gli acceleratori e la QCD

PETRADESY1979

Ecm=30 GeV

gluone

e-e+

qq_

3 getti di adroni

Prima evidenza del gluone

e-

e+

q

q_

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

Una predizione della QCDverifivata a SPEAR nel 1973

in urti e+e- a Ecm= 4 GeV

1983 UA1 a SPS CERNcollisioni pp a Ecm = 540 GeV

_

Le tracce bianche rappresentano una coppia e+e- prodotta nel decadimento di un bosone Z

Prima produzione diretta dei bosoni Z e W mediatori assieme al

delle interazioni elettro-deboli

_

1994 CDF a TEVATRON Fermilabcollisioni pp a Ecm = 1.8 TeV

Lo stato del Modello Standard

Le verifiche di precisione a LEP

La ricerca dei blocchi mancanti

a LHC

e+e- a Ecm = 91 GeVdal 1989 al 1995e+e- a Ecm = 130-210 GeVdal 1996 al 2000

pp a Ecm = 14 TeV

dal 2006 al …

LEP1

LEP2

Il tunnel di LEP e LHC al CERN 27 Km di circonferenza

100 m sotto il suolo4 punti di interazione

LEP1LEP1LEP1LEP1La maggior parte delle misure di precisione sulla fisica elettrodebole proviene da LEP1 e SLD (SLAC)

e+

e-

s=MZ

2 Z

e+

e- -

+ +

-

q

q

_

_

Risonanza nella di annichilazione elettrone-antielettrone

4 possibili stati finaliosservabili

Per ogni stato finale si misurano sezioni d’urto e asimmetrie avanti-indietro

N-(avanti) + N-(dietro)

____________________N-(avanti) - N-(dietro)

106 Z per ogni esperimento misure di grande precisione

q top (troppo pesante)

dal 1989 al 1995 4 esperimenti

e+e- a Ecm = 91 GeV = MZ

= NLt

Z lineshape

Una sorta di Breight-Wigner descrive la shape della risonanza

~ (s - Mz2 + i Mzz)-2

z la larghezza della risonanza

è legata alla probabilità di decadimento

z = 3ll + adroni + N

È possibilie misurare le specie di neutrini conoscendo dalla teoria e misurando ll adroni z

La posizione del picco misura la massadel bosone Z MZ

Misura della di produzione di adroni in funzione di Ecm

Una delle misure piu` precise mai prodotte in fisica delle particelleDalla combinazione

dei risultati di 4 esperimenti

Massa del bosone Z

MZMZ

z la larghezza della risonanza

è legata alla probabilità di decadimento

z = 3ll + adroni + N

N = 2.994 0.012

Dal fit complessivo al Modello Standard

N = 3.00 0.06

106 Z/esperimento Precisione sperimentale ~ 0.1%

Teoria: lo sviluppo perturbativo non può fermarsi al all’ordine piu` basso

qq

q

q

q

adroni = 0 ( 1 + s/ + 1.4 (s/ – 13 (s/ )

q

t

t

b

b

W

b

b

bb = 0(1 + C(mt))

Misure sensibili a grandezze non direttamente osservabiliattraverso i contributi degli ordini perturbativi più alti

gg

In particolare da had/ll si ottiene una delle misure più precise della costante di accoppiamento forte

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 osservatola cui massa non è predettadalla teoria

Un Fit complessivo deidati al Modello Standard

Come si ottengono le misure indirette ?

Parametri di input per la teoria(alcuni noti, altri liberi nel fit)

La teoria del MS

Le misure Il fit

I risultati del fit

Le misure di precisione sono poco sensibili a MH

Chi e`l’ Higgs ?

Dove cercarlo e come ?

L’unica risposta certa finora

Ritornando alla Lagrangiana … XXX = Bosone di Higgs libero + interazioni Higgs-fermioni + interazioni Higgs-bosoni

Proporzionali alle masse

Perché un bosone di Higgs ?Il MS è una teoria rinormalizzabile se fermioni e bosoni hanno m=0!

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

E` possibile rivelare l’Higgs a LEP 2se MH < Ecm – MZ

e se si ha abbastanza luminosita`

b

b _

I jet di quark bsono caratterizzati da vertici di decadimento distanti dal punto di interazione

Ecm=206 GeV, MH = 114 GeV, MZ = 93 GeVAgosto 2000

Alla fine del 2000 (chiusura di LEP2)~ 10 eventi sono consistenti con l’ipotesi di MH = 115 GeV

bassa significativita` per una scoperta

2001 il tunnel di LEP diventa il tunnel di LHC Attualmente in costruzionePrimi fasci in LHC previsti per il 2006

27 Km di circonferenza100 m sotto il suolo

La ricerca dell’ Higgs a LHC pp con Ecm = 14 TeV

ATLAS

2 esperimenti: ATLAS, CMS

Le collaborazioni hanno piu` di 1000 membri

Display di eventi simulati

Collisioni pp a E = 14 TeV a LHC

Sezione d’urto inelastica totale= 80 mb 109 eventi/s

I processi interessantisono urti tra i quarks che costituiscono i protoniEcm(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)

Sezione d’urto in pb (1 pb=10-12b) di produzione del bosone di Higgs in funzione della

sua massa

g

g

tH

H

q

q

q

q

W,Z

W,Z

I principali meccanismi di produzione

Branching ratios per il decadimento del bosone di Higgs

Frequenza di decadimento nei diversi canali

L’Higgs decade in coppie di fermioni e bosoni

L’Higgs preferisce decadere in coppie di particelle pesanti

Se MH> 2 MZ

il canale privilegiato per la scoperta èHZZ

+-+-e+e-

fondo bassissimo

buona efficienza di ricostruzione e selezione

s (+-) = MZ

s (e+e-) = MZ

Simulazione di un evento di Higgs in ATLAS

s (+- e+e-) = MH

Se M (Higgs) > 180 GeV = 2 MZ

si identificano 2 muoni e 2 elettronitali che

Se MH = 800 GeV il numero di eventiprodotti in un anno di run a bassa luminositàè 104 (109 eventi con jet di pT> 200 GeV)

allora

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)

N1/2 = N (fondo) N(totale)

perché N(fondo)>>N(segnale)

5

definisce la scoperta

1 pB = 1015 Byte

La mole di eventi e di dati in ATLAS

Se tutti gli eventi fossero registratiIl flusso di dati sarebbe 40TByte/s = 40 x 1012Byte/s

La selezione degli eventi prima (trigger di I e di II livello)e durante l’acquisizione (filtro di eventi)

L’elettronica di front-enddeve avere capacità selettiva per gli eventi interessanti

Successivo livello di selezione che coinvolge i rivelatori più lenti

Selezione basata sulla ricostruzione complessiva dell’evento

Lo spettrometro consiste di RPC per l’identificazione veloce dei muoni (INFN Lecce, Roma, Napoli) e MDT per la misura del loromomento

campo magnetico toroidale per curvare le tracce dei muoni

Gli RPC sono un elemento essenziale nel trigger di I livello

Il lavoro dei fisici di ATLAS da oggi fino al 2006

Hardware:

Costruzione dei rivelatori Test delle performances Assemblaggio al CERN

Software:

Sviluppo di tecniche di calibrazione dei rivelatoriSviluppo di tecniche di ricostruzione degli eventiStudio della strategia di analisi degli eventi

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

In attesa della fisica e per poter fare della fisica

A Lecce e` stata progettata la meccanica degli RPC