Stimando le masse delle particelle:dal top, via bosone di Higgs, fino alla

supersimmetria

Un cammino condiviso con Gianluigi

Una tendenza storica dei fisici delle particelle …

• Quando incontriamo un mistero che non possiamo risolvere con i modelli attuali

• Inventiamo una nuova particella, talvolta molte!• Un primo esempio: Einstein ha proposto il fotone

per capire l’effetto fotoelettrico

Un esempio famosissimo

• La famosa letteraaperta di Pauli

• Il nome ‘neutrino’inventato da Fermi

• Il secondo neutrinospiega perchéμ no elettrone

• Torneremo più tardi alle oscillazioni e alle masse dei neutrini

Altri esempi importanti per il Modello Standard: i bosoni W, Z

• Intermediari dell’interazione debole• Il W proposto da Yukawa– Inizialmente identificato con il pione– Poi ‘scoperto’ nel primo esperimento di neutrini al CERN

• Perché questi errori?• Perche i fisici non avevano una stima accurata della

massa, o non ci credevano.• Ecco l’importanza di stimare bene le masse delle

nuove particelle!

Un esempio riuscito

• Il quark ‘charm’ postulato da Glashow, Iliopoulos e Maiani

• La massa stimata bene da Gaillard e Lee

• Implica mu << mc << mW

• ΔmK implica mc ~ 1.5 GeV

Un esempio personale• Il quark ‘bottom’ postulato nel 1975 per

accompagnare il leptone pesante ‘tau’• La massa stimata nell’ ambito di una teoria della

grande unificazione delle interazioni• Chanowitz, JE e Gaillard:

“Making the SU(5) model completely natural, including in the Higgs sector, gives the prediction md/me ~ ms/mμ ~ mb/mτ = 2605”• Avevo scritto

a mano “2 to 5”!

Il quark ‘top’: Una prima avventura con Gianluigi

• Il quark ‘top’ postulato per accompagnare il quark bottom• Molte stime teoriche sbagliate durante gli anni 1970/80• Qual è il limite superiore sulla sua massa?• Una prima indicazione è venuta da uno studio delle correnti

neutre• Costa, JE, GLF, Nanopoulos e Zwirner:

“In the minimal standard model with ρ = 1 andequal Higgs and Z masses we find that mt < 168 GeV at the 90% confidence level.”

• Il nostro primo lavoronon è stato troppo male!

Il quark ‘top’: Una stima raffinata con Gianluigi

• mt < 185 GeVvariando mc

• Indicazioni su sin2θW

• Commenti sulla sensibilità a mH

Il quark ‘top’: il ruolo della massa dello Z

• Una misura precisa della massa dello Z darebbe una indicazione importante della massa del top

Il quark ‘top’: dopo le prime misure di mZ con alta precisione

• Accordo con i dati a basse energie implica

• Una prima discussione di mH

Il bosone di Higgs: una seconda avventura con Gianluigi

• C’è bisogno di un bosone di Higgs (o qualcosa di simile) per dare le masse alle altre particelle

• L’ ultima componente del Modello Standard che ancora ci manca

• Le misure di alta precisione hanno poca sensibilità a mH …

… ma danno una indicazione interessante

Le masse sono dovute al bosone di Higgs? (una particella chiave …)

Newton:Il peso è proporzionale alla massa

Einstein:L’energia è equivalente alla massa

Ma non hanno spiegato la massa!

Alcune particelle hanno massa, altre no …

Da dove vengono queste masse?

Come un campo di neve

Con gli sci si corre molto velocemente:Come una particella senza massaad es., un fotone = particella della luce

Con le racchette da neve,si va più lentamente:come una particella con una massaad es., un elettrone

Con gli scarponi si affonda nella nevee si va molto lentamente:come una particella con una grande massa

LHC cercheràil fiocco di neve:

il bosone di Higgs

Stimando la massa del bosone di Higgs

• Le misure elettrodeboli sono sensibili alle correzioni quantistiche:

• Però la sensibilità alla massa del top è molto maggiore della sensibilità alla massa del bosone di Higgs:

• Tuttavia le misure al LEP ci davano una indicazione di un Higgs leggero ancora prima della scoperta del top

• Primi tentativi negli anni 1990, 1991:

• Molto difficile prima della scoperta del top

Stimando la Massa del bosone di Higgs

• Dopo la scoperta del top:

• Solide indicazioni di un bosone di Higgs leggero

Stimando la Massa del bosone di Higgs

• Il limite inferiore dal LEP:mH > 114.4 GeV

• Secondo i dati elettrodeboli:mH = 89+35

–26 GeVun limite superiore:

mH < 158 GeV, o 185 GeV includendo il limite diretto

• Il limite dal Tevatron:mH < 158 GeV or > 173 GeV

Il bosone di Higgs: lo stato attuale

La ricerca del bosone di Higgs al Tevatron

Il Tevatron esclude un bosone di Higgs fra 158 & 173 GeV

Le prime ricerche ad LHC

Un contributo significativo al fit globale

Combinando le informazioni sulla massa del bosone di Higgs

mH = 120+ 12-5 GeV

Una stanzasenza

finestre …

… una portada aprire

Cosa c’èfuori della

stanza?

Extra-Dimensio

ni

Supersimmetri

a

Tecnico

lor

W’, Z’

Buchi neri

Extra-Dimensio

ni

Supersimmetri

a

Tecnico

lore

Buchi neri

W’, Z’

• Un vuoto non stabile?

• Indicazioni contro un modello composito• La supersimmetria?

Fisica oltre il Modello Standard?

La supersimmetrica e la materia oscura ?

• La supersimmetria associale particelle della materia alle particelle che trasportano le interazioni

• Può spiegare la scala delle masse delle particelle• Può aiutare ad unificare le interazioni fondamentali• La particella supersimmetrica più leggera sarebbe stabile e

con una massa inferiore a 1000 GeV• Avrebbe una densità simile a quella della materia oscura

Da ricercare con gli esperimenti

La materia oscura nell’universo

Gli astrofisici ci dicono che la

maggior parte della materia nell’universo

è invisibile:materia oscura

Particelle supersimmetriche?Le cercheremo con

l’LHC

Indicazioni prima dell’LHC

La materia ‘oscura’ avrebbeuna carica eletromagnetica

Vietata da b s g

Indicazioni (?) da g - 2

Se il neutralino fosse responsabile

della materia oscura

JE + Olive + Santoso + Spanos

Indicazioni dalla densitàdella materia oscura

Fit globale delle masse supersimmetriche

• Approccio statistico• Dati utilizzati:– Misure elettrodeboli di alta precisione– Limite sperimentale sulla massa del bosone di Higgs– La densità della materia oscura– Dati sui decadimenti b s g, Bs +-

– g - 2 (forse)

• Combinando le densità di probabilità• Analizzando i modelli supersimmetrici più semplici

O.Buchmueller, JE et al: arXiv:0808.4128, 0907.5568, 0912.1036, 1011.6118, 1102.4585

Stimando le masse delle particelle supersimmetriche

O.Buchmueller, JE et al: arXiv:0808.4128

Prima del’LHC

Il progetto LHC al CERN

Collisioni Protone-Protone

7 TeV + 7 TeV

1,000,000,000 di collisioniogni secondo

Obiettivi scientifici: • L’origine della massa• La materia oscura• Il plasma primordiale• L’ asimmetria fra materia ed antimateria

1 TeV = 1000 GeV ~ 1000 volte la massa del protone

Visione d’insieme di LHC e dei suoi esperimenti

100 m sotto terra27 km di circonferenza

Un bosone di Higgs potrebbe apparire così

La materia oscura potrebbe apparire così

Energia invisible portata via daparticelle di materia oscura

35

20 novembre 2009: contentissimi!

Concentrazione, ansietà …

… attesa e trepidazione

Se il neutralino fosse

responsabile della materia

oscura

Indicazioni dopo i dati LHC 2010

CMS

ATLAS1 LeptonATLAS0 Lepton

CMS MHT

La materia ‘oscura’ avrebbeuna carica eletromagnetica

Vietata da b s gamma

Indicata (?) da g - 2

Indicazioni dalla densitàdella materia oscura

CMSSM

O.Buchmueller, JE et al: in preparation

Stimando le masse supersimmetricheCon i dati LHC 2010

CMSSM

O.Buchmueller, JE et al: in preparation

Stimando la massa del gluinoCon i dati LHC 2010

NUHM1

O.Buchmueller, JE et al: in preparation

Il processo raro Bsμ+μ- ?Con i dati LHC 2010

Traiettoria dei fit nel CMSSM

Come hanno evolutoi fit supersimmetrici?Qual’è l’evoluzionepossibile nel futuro?

✚Vecchi punti di riferimento★ Fit prima del’LHCs Dopo LHC 2010 Dopo LHC 2011?

Prima del’LHC

Se non c’è la supersimmetria

con 1 o 2/fb

Se non c’è la supersimmetria

con 7/fb

Limiti attuali

Torniamo ai neutrini

• Il lavoro attuale di Gianluigi, Eligio ed amici

• Aspettiamo con entusiasmo una nuova generazione di esperimenti

Conclusioni

• Impossibile!• Stimare le masse delle particelle prima delle

loro scoperte è un lavoro senza fine• È un complemento essenziale alle ricerche

sperimentali• Aspettiamo con (im)pazienza le prossime

scoperte del’LHC• Senza dubbio si aprirà un mondo nuovo!