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

Fisica delle Particelle Elementari

Fisica delle Particelle Elementari

Mario Paolo GiordaniUniversità degli Studi di UdineMasterclass 2007

Mario Paolo GiordaniUniversità degli Studi di UdineMasterclass 2007

29.03.2007 Mario Paolo Giordani 2

Il Modello StandardIl Modello Standard

QUARK

LEPTONI

m[MeV/c]

Q[e]

+2/3

0

–1/3

–1

6 p = uudAtomo di carbonio (12C): 6 n = udd

6 e


I fermioniI fermioni

Componenti fondamentali della materia Componenti fondamentali della materia1a generazione 2a generazione 3a generazione

m m m

27 Perchè 3famiglie?

Ce ne sonoAltre?


I bosoniI bosoni

Mediatori delle forze interazione = scambio di bosoni

Mediatori delle forze interazione = scambio di bosoni

Forza Intensità Bosoni mediatori Avviene in:

Forte Nucleare ~1Gluoni (senza massa)

Nuclei atomici

Elettromagnetica

~10–3 Fotoni(senza massa)

Livelli atomici

Debole Nucleare ~10–5 W+,W–,Z0

(pesanti)Disintegrazione radioattiva

Gravitazione ~10–38 Gravitoni (?)

Corpi massicci


Il problema della massaIl 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

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


Il meccanismo di HiggsIl 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

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


Il bosone di HiggsIl 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

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


Fisica delle alte energieFisica 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

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

2Efascio

energia liberatanell’urto


Il CERNIl 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.

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.


Gli Stati membriGli Stati membri

20 Stati membri

Osservatori: Israele, Turchia, USA, Giappone, Russia

20 Stati membri

Osservatori: Israele, Turchia, USA, Giappone, Russia


Il LaboratorioIl Laboratorio


Il Large Hadron Collider (LHC)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

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


LHC dall’interno...LHC dall’interno...


Le collisioni elasticheLe 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

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


Le collisioni anelasticheLe 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

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


I rivelatori di LHCI rivelatori di LHC

CMS


A Toroidal Lhc ApparatuS (ATLAS)A Toroidal Lhc ApparatuS (ATLAS)

108Canali elettronica

7000 tPeso

22 mDiametro

44 mLunghezza

150 istituzioni1800 scienziati

http://atlas.web.cern.ch/Atlas


Interazioni radiazione-materiaInterazioni radiazione-materia

e

elettroni & fotoni

neutrini

jet

quark & gluoni. muoni

acciaio

calorimetroadronico

solenoide

dispositivo ditracciatura

camerea muoni

calorimetroelettromagnetico

Condizionano la risposta dei rivelatori ogni particella caratterizzata da una “firma” metodi di identificazione di particelle

Condizionano la risposta dei rivelatori ogni particella caratterizzata da una “firma” metodi di identificazione di particelle


Il processamento del segnale Il processamento del segnale

eventi in entrata: 100MHz

1000 particelle prodotte per evento

eventi su nastro: 100Hz


La ricostruzione di un eventoLa ricostruzione di un evento

Tevatron: 2TeV LHC: 14TeV


Analisi statistica dei datiAnalisi 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: ppHZZµµµµ

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: ppHZZµµµµ

H

Z

p p

Z

+

-

+

-

diverse ipotesi di segnale

fondi dominanti


Alla ricerca del segnaleAlla 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...

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...

ProcessoProcesso Eventi/sEventi/s Eventi/yEventi/y

bbbb 101066 10101212

ZZeeee ~3~3 101077

WWee ~30~30 101088

WWWWeeXX 1010-2-2 66101033

tttt ~2~2 101077

HH(700 GeV)(700 GeV) 221010-3-3 101044


Cercando il bosone di Higgs...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 ppHZZµµµµ) stati finali difficilmente imitabili dal fondo

Il bosone di Higgs può manifestarsi in molti modi Lo stato finale dipende:

dal processo di produzione dal modo di decadimento

“Canali dorati” (come ppHZZµµµµ) stati finali difficilmente imitabili dal fondo

solo tracce con pT>25GeV/c


...che cosa impareremmo da LHC?...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

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


Oltre il Modello StandardOltre 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

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


La SupersimmetriaLa 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

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


Le extra-dimensioniLe 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

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


La grande unificazione (GUT)La grande unificazione (GUT)


La nuova frontieraLa nuova frontiera

LHC: una vera macchina da scoperta Energia mai raggiunta prima Possibili eventi spettacolari

creazione e decadimento di un buco nero

LHC: una vera macchina da scoperta Energia mai raggiunta prima Possibili eventi spettacolari

creazione e decadimento di un buco nero

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