Il Large Hadron Collider e il futuro della ricerca...

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3/9/08 M.Paganoni 1

Il Large Hadron Collider e il futuro della ricerca fondamentale

in fisica delle particelle

M.Paganoni

Università di Milano Bicocca ed INFN

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Fisica e ordini di grandezza

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Macrocosmo e Microcosmo

Goccia di

rugiada

Molecola

d’acqua

Atomo di

idrogeno

Quark e gluoni

nei protoni

QuarkChe cosa costituisce il 96 % dell’universo ?

Quark e leptoni hanno struttura ?

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La radioattività

Scoperta degli elementi radioattivi

Henri Becquerel: Uranio (1896)

Pierre e Marie Curie: Radio (1898)

: He++

!: elettroni

": fotoni di alta energia

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L’esperienza di Rutherford (1909)

Modello di Thomson

Modello di Bohr

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Il modello atomico di Bohr

L’atomo è in gran parte “vuoto”(in un modello in scala se il nucleo

e` un pallone da calcio, gli elettroni

si muovono sulla parte piu` lontana delle tribune)

Solo la Meccanica Quantistica spiega la stabilità atomica

(la Meccanica Classica prevederebbe

una perdita di energia dell’elettrone

per irraggiamento)

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Il nucleo

in presenza della sola forza

elettromagnetica

non potrebbe essere stabile

in realta` protoni e neutroni

sono costituiti da quark, legati

dall’interazione forte

Scoperta del neutrone (J. Chadwick, 1932)

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Massa ed energia

1 GeV/c2 (Giga ElectronVolt) = 109 eV

mprotone = 0.938 GeV/c2 = 1.67262158(31) x 10-27 Kg

melettrone = 0.0005 GeV /c2 = 9.109 x10-31 Kg

- +

1 Volt

Per dare ad un elettrone l’energia

di 1GeV, dovremmo mettere

in serie 109= 1000000000 pile

da 1 Volt !!

Perché vogliamo accelerare le particellea così alte energie?

- +

1 Volt

....

E =1 eV

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Le 4 interazioni fondamentali

attive su tutte le distanzeattive su d < 10–15 m

1 10-2

10-5 10-39

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Particelle forza (bosoni)

Forze sono dovute alloscambio di particelle

Legame tra spin e statistica

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Raggio di azione delle interazioni


Unificazione delle forze

Importanti scoperte al CERN:– Correnti neutre (1973)

– Bosoni W & Z (1983)

- Conteggio di 3 famiglie di neutrini (1989)

S. Weinberg,

A. Salam,

S. Glashow :

Unificazione delle

forze

elettromagnetica e

debole

J. C. Maxwell :

Unificazione delle forze

elettrica e magnetica

LHC

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I mattoni della materia (fermioni)

confinati in mesoni (qq)barioni (qqq)

liberi

Caricaelettrica

+2/3

-1/3

0

-1

Interazioni

F,E,D

D

E,D

protone = uud neutrone = udd

Perché 3 ?


u

d

c

s

t

b

e # $

%e%# %$

Massa (GeV)Le particelle forza Massa

g gluoni (8) 0

" fotone 0

W+,W-, Z bosoni 80/90 GeV ~0.001 ~1.5 ~180

~0.002 ~0.1 ~4.5

~0. ~0. ~0.

~0.0005 ~0.1 ~1.7

Il modello standard non predice le

masse delle particelle, che sono

misurati sperimentalmente

L’origine delle masse

( Il protone ha massa ~1 GeV)

Qual e’ l’origine della massa ?Perche’ il pattern di masse ?

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Il bosone di Higgs

Nel Modello Standard una particella a spin 0 che siaccoppia a bosoni e fermioni e’ responsabile della massadi tutte le particelle:

il bosone di Higgs.

Osservazione diretta di questa particella e’ necessaria per una conferma che tale meccanismo e’ corretto.

E’ l’unico pezzo mancante del Modello Standard

Sperimentalmente non si e’ trovato, ma si hannoindicazioni su dove potrebbe essere:


La massa del bosone di Higgs

Unitarieta’

Il vuoto EW e’ il minimo assoluto

(GeV) - Scale of new Physics

Limiti teorici

Ricerca diretta

m(H) ! 114.4 GeV/c2

at 95% CL

DS

EW precision

m(H)" 144 GeV/c2

at 95% CL

EW precision

measurements

m(H)= 76 GeV/c2+33-24

V(#)=-$| # |2+ %| # |4

M(H)teoria < 1 TeV

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L’osservazione del microcosmo

I piu` piccoli

dettagli “risolvibili”

hanno dimensioni

confrontabili con %&

della radiazione

Particelle di alta energia sono gli

“esploratori del microcosmo”

elettrone % = h/E


3) Identificare i prodottidell’interazione nel Rivelatore

1) Concentrare energia sulleparticelle nell’ Acceleratore

2) Fare collidere le particelle

E=mc2 : la massa si può trasformare in energia e viceversa

(annichilazione e produzione coppie)

La fisica ai collisori

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Teoria ed esperimento


CERN, protoni da 800 keV 1930, E. Lawrence, protoni da 100 MeV

Cockroft Walton

I primi acceleratori

Ciclotrone

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Il sincrotrone

1975, SPS (CERN)p (450 GeV)

p (GeV/c) = 0.3 B (T) R (m)


Rivelare le particelle

Dobbiamo avere dei punti in cui le particelle rilascianoenergia interagendo con del materiale “sensibile”

Due tipi di misure possibili:– Non distruttive: vogliamo studiare la traiettoria di una

particella senza disturbarla troppo– Distruttive: vogliamo misurare l’energia di una particella, per

cui facciamo in modo che trasferisca tutta la sua energia

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Rivelatori elettronici

Camera a multifili, Charpak 1967

- Rapidità di acquisizione- Processamento con computer


Misure di impulso

Usiamo un campo magnetico; in talmodo la particella descriveun’elica con un raggio di curvatura inversamenteproporzionale all’impulso(perpendicolare a B) e all’intensita’ del campo magnetico

Maggiore è il campo magnetico, migliore la possibilità di misura

La particella deve attraversare poco materiale

Forza centrifuga =

forza di Lorentz

R

v'

F

(B

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Misure di energia

Usiamo una grossa quantità di materiale in modo che le particelle vi rilascino tutta l’energia prima di fermarsi


Interazioni di vari tipi di particelle nella materia

Rivelatori ai collisori

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Il CERN

Fondata nel 1954 da 12 Paesi tra cui l’Italia

Oggi: 21 stati membri, 2500 persone, 700 MEuro di budget, 60 Paesi non membri.

Il CERN fornisce strumenti sofisticati per la ricercafondamentale in Fisica delle Particelle.

2004: 1 20 stati membri

7000 utilizzatori da tutto il mondo


Il complesso degliacceleratori al CERN

24-Nov-1959: PS (Proton Sincrotron)

Funziona tutt’oggi! Accelera e-,e+ , p+,p-

27-Gen-1965: ISR (Intersecting Storage Ring)

Prima collisione al mondo protone-protone.

1979: SPS (Super Proton Sincrotron) (~7 km)

1983: SPS ) SppS:

Prima collisione al mondo Protoni-Antiprotoni

Premio Nobel a Rubbia per la scoperta W e Z.

1989: LEP (Large Electron Collider) (~27 km)

Accelera elettroni-positroni.

Dal 1989 al 1995 : E(e) = 50 GeV

Dal 1995 al 2000 nuove frontiere di enegia!

Stop nel 2000 ) trionfo del Modello Standard

2008 : LHC (Large Hadron Collider)

LEP/

-

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Large Hadron Collider

7x103 GeV Energia dei protoni

1011 protoni per “pacchetto”

2832 pacchetti

40.000.000 interazioni al secondo

p (7 TeV) – p (7 TeV)

(v = 0.99999998 c = c -10 Km/h)

Collisione tra quark o gluoni

1 particella nuova prodotta ogni 10-5 secondi

7.5 m (25 ns)

Progettato alla fine degli anni ’80, inizierà a funzionare il 10/9/08

Campi magnetici di 8 T grazie a superconduttività (2 K)

Costa 3 Euro a cittadino europeo, coinvolge 10000 fisici-ingegneri

4 interazioni “tra pacchetti “ ogni 10-7 secondi

1 interazione protone-protone ogni 10-9 secondi


Le sfide di LHC

LHC inizierà a funzionare nel 2007. Una sfida enorme in molti campi !

acceleratori

rivelatori

computing

finanziamento

organizzazione

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I magneti di LHC

1232 dipoli SC lunghi 16 m2 beampipe indipendenti8000 magneti in tutto


Gli esperimenti ad LHC

ATLAS CMS

LHCb

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Le zone sperimentali di LHC

Fra 80 e

140 m

sotto

terra


Numero di scienziati: 1800

Numero di istituti: 164

Numero di nazioni: 35

ATLAS

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3/9/08 M.Paganoni 35Caverna di ATLAS


Il rivelatore CMS

MUONI BARREL

CALORIMETRI

Microstrisce SilicioPixels

ECAL: cristalli PbWO4

Cathode Strip Chambers (CSC)Resistive Plate Chambers (RPC)

Drift TubeChambers (DT)

Resistive PlateChambers (RPC)

BOBINA SUPERCONDUTTIVA

GIOGO RITORNO

TRACKER

MUONIENDCAP

HCAL: scintillatore plastico

Compact Muon Solenoid

Numero di scienziati: 1961

Numero di istituti: 180

Numero di nazioni: 37

Peso totale : 12,500 tDiametro : 15 mLunghezza : 21.6 mCampo Magnetico : 4 Tesla

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CMS


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Il rivelatore CMS

– 12500 tonnellate

– 150 m sotto terra

– Dimensioni: 22x15x15 m3 (ATLAS è 8 volte piùgrande)

– 250 m2 di silicio (una piscina non olimpionica)

– 100 milioni di canali di acquisizione

– Campo magnetico 100000 quello terrestre, su un volume di decine di metri cubi

– Ferro per il giogo del magnete nella stessa quantità di quello usato per costruire la torre Eiffel


Rivelazione di particelle in CMS

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Trigger e readout

40 milioni di volte al secondo si incontrano i pacchetti dei protoni dai 2 fasci, producendo 20 interazioni sovrapposte.

Flusso di dati “vergini”: 80 TeraBytes al secondo– 100.000 CD al secondo!– Una torre di 100 metri di CD al secondo!

Con algoritmi di preselezione riusciamo a scrivere su disco molto meno, 200 Mbytes/s

Per trovare il bosone di Higgs necessari ~ 3 anni di dati raccolti, a 100 eventi al secondo = 6 PetaBytes = 6 milioni di GigaBytes

Per il processamento dei dati sono necessari ~ 10 minuti a evento– 10 min *100*(60*60*24*365*3)/3 = 31536000000 min = 8760000 ore

= 365000 giorni = 1000 anni


Identificazione dell’Higgs ad LHC

Ci aspettiamo solo 1 Higgs ogni

1,000,000,000,000 eventi

I due fasci di protoni da 7 TeV produrranno800 milioni di eventi al secondo

*100 milioni di volte

l’energia degli

elettroni nel tubo

catodico della TV.

* L’energia

immagazzinata in

uno dei due fasci è

equivalente

all’energia cinetica

di un Jumbo Jet al

decollo lanciato ad

una velocità di ~154

km/h

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Ricerca del bosone di Higgs

– L’Higgs decade subito (10-22 sec), e lo può fare in quattro muoni

H Z

Z

! "

! "

pp


Come ricostruiamo l’Higgs

Uno dei possibili modi in cui l’Higgs puo’ decadere e’ in due bosoni Z che poi a loro

volta decadono in 4 muoni.

Selezionando gli eventi che hanno almeno 4 muoni di alto momento

si ricostruisce la massa della particella eventuale che e’ decaduta nei 4 muoni:

Dove p sono i “quadri-momenti” dei 4 muoni selezionati:

MH

2# (p1 ! p2 ! p3 ! p4 )2

Avremo - se esiste- il picco del segnale e altri eventi di “fisica nota / Modello Standard”

che si distribuiscono a vari valori di M(4-muoni)

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Higgs o altro?

L’Higgs non e’ l’unica teoria che spiega la massa delle particelle.

La Supersimmetria e’ una altra teoria, che analogamente introduce dei campi di “Higgs”

in questo caso sono pero’ 5, insieme a molte altre particelle (le super-particelle!)

La Technicolor spiega come le particelle acquisiscano massa grazie alle interazioni con

altre particelle detti Tecni-pioni

Le Extra-dimension ipotizzano l’esistenza di zone di piccolo raggio nello spazio dove le

dimensioni non sono solo 4 (3 spaziali e 1 temporale) ma 6 o 8 o di piu’…

Oppure puo’ esserci tutt’altra spiegazione che ci fara magari capire come il nostro Modello

Standard sia solo una buona descrizione alle nostre energie, ma la vera teoria sia tutta

un’altra!

LHC sara’ una vera avventura, perche’ scopriremo forse quello che da anni cerchiamo, ma

forse qualcosa che non abbiamo mai immaginato..

LHC rappresentera’ l’esplorazione della frontiera della conoscenza per il prossimo decennio


LHC ed il Big Bang

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Fisica delle Particelle in Italia

Lunga tradizione italiana nella Fisica delle Particelle– Fermi

• Fisica delle interazioni deboli

– Rubbia• Scoperta dei Bosoni W± e Z

– 2 premi Nobel italiani

Oggi:– In Italia: Istituto Nazionale di

Fisica Nucleare– Forti partecipazioni in esperimenti

a Ginevra (CERN), US (FermiLab, Stanford), Germania (DESY), Giappone (KEK)


Spinoff della tecnologia di LHC

Progressi nei magneti superconduttori.

Progressi nella realizzazione di rivelatori veloci e resistenti alle radiazioni

Progressi nel calcolo distribuito su scala mondiale

Il guadagno più grande rimane quello che capiremo in più sul microcosmo e sul macrocosmo.

Utili anche per test

di reattori a

fusione nucleare

Utili anche in campo

medico, nello spazio

e per la sicurezza

Costruzione di un

supercomputer su

scala mondiale,

evoluzione del

concetto di WEB

Higgs, ma anche

supersimmetria, extra

dimensioni. supergravità,

stringhe…

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… un augurio per il futuro

Il prossimo decennio esplorerà una nuova frontiera dellaFisica delle Particelle.

Le nostre idee di massa, forza e particella elementare saranno messe alla prova radicalmente.

E’ una sfida tecnologica importante.

E’ una première di collaborazione a livello mondiale.

Scienza fondamentale e Scienza applicata funzionano insieme !

Una società avanzata trae grande vantaggio da entrambe !

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