Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino1 Le particelle elementari, simmetrie nascoste...

Le particelle elementari

Nicolo Cartiglia -INFN Torino 1

Le particelle elementari, simmetrie nascoste

e la caccia al bosone di Higgs

Torino, Camplus - Lingotto

29 Novembre 2012



L’approccio riduzionista in fisica delle particelle ha portato a moltissimi progressi.

Ogni ulteriore livello di “riduzione” porta con se` una grande quantità di informazioni, il passaggio da un livello a quello successivo avviene attraverso lo studio di regolarità che indicano la presenza di una sotto-struttura

La fisica delle particelle

Oggi parliamo di quello che non sappiamo… del prossimo livello



Fondamentali: queste particelle sono ritenute senza struttura interna (anche se non è esclusa)

Queste particelle si dicono “materia”, sono i costituenti della materia

Queste particelle si dicono “messaggeri”, sono quelli che trasmettono le forze



Forza gravitazionale:

Forza elettromagnetica:

tiene uniti i protoni, i neutroni ed il nucleo anche se di carica uguale

messaggero: gluonecarica: colore (3 tipi)

radioattività, attività solare … messaggeri: W e la Zcarica: debole

Caduta dei corpi, moto stellare…messaggero: gravitonecarica: Massa/energia

magneti, atomi, chimica…messaggero: fotonecarica: elettrica (1 tipo)

Forza forte:

Le forze: cariche ed intermediari

Forza debole:



Antimateria…

L’antimateria è una concetto comune in fisica delle particelle, è come la carica negativa rispetto a quella positiva.Regola: se si creano delle particelle in laboratorio si ottiene

tanta materia quanto anti-materia, tante cariche positive tante negative.

Come elementi, per ora sappiamo fare solo l’anti-idrogeno e l’anti-elioQuando materia ed antimateria si incontrano, si annichilano



quark

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

Attraverso urti tra particelle si possono creare altre particelle: l’energia delle particelle viene trasformata in materia!

Come si creano le particelle in laboratorio?

protone

protone

Si crea sempre materia ed antimateria in quantità uguali



Particelle e viaggi nel tempo

Quando, come ad LHC, si scontrano particelle, si crea uno stato della materia che non esiste attualmente in nessun altro posto nell’universo.

Le condizioni che si creano ad LHC sono esistite solo negli attimi iniziali dopo il BigBang.

LHC ~ 10-11 sec



Le particelle che avete visto fino ad adesso (quark, leptoni, messaggeri) vengono descritte da un modello matematico chiamato:

Modello StandardDescrive moltissimi dati sperimentali con grande accuratezzaTuttavia ci sono cose che non sappiamo. Per esempio:Misteri:1.Dov’è l’antimateria?2.Dimensioni spaziali?3.Di cosa è fatto l’universo?4.Simmetrie nascoste:

Il bosone di HiggsLa ragione dell’esistenza del bosone di Higgs



1- Un problema ovvioDurante il big bang, cioè il momento iniziale del nostro universo, si è creata tanta materia quanta anti-materia, tuttavia abbiamo un ovvio problema:

Dove è finita l’anti-materia?

Imbarazzante: non abbiamo idea=> Abbiamo perso il 50% delle particelle..

Nota: materia ed anti-materia non sono esattamente uguali: se lo fossero sarebbero scomparse entrambe nello stesso modo ed adesso ci sarebbe solo energia (questo problema si chiama “CP violation”, è una violazione di simmetria)



u

d

e

e

t

b

Digressione: Due problemi connessi

c

s

1) I quark ed i leptoni sono ripetuti 3 volte, ci sono 3 generazioni simili (ma non identiche) Non si sa perché…

2) Tuttavia: 3 generazioni è il numero minimo per permettere una differenza tra materia ed anti-materia

Quindi:

Se ci fossero solo 2 generazioni non saremmo qui poichè tutta la materia ed anti-materia si sarebbero annichilate.

È la nostra esistenza una ragione sufficiente? Probabilmente no…Dato che non sappiamo perché ci sono 3 generazioni, stiamo cercando la quarta



2 - Solo 3 dimensioni spaziali?Immaginiamo di vivere in un mondo a due dimensioni nel quale ci muoviamo solo su di un piano.Supponiamo inoltre che sia un tipo di temibili oggetti che vivono in 3 dimensioni, le SFERE.

Le SFERE appaiono e scompaiono, senza nessuna possibilità di sapere dove arriveranno la prossima volta..

Nello stesso modo possiamo immaginare che ci siano della particelle che vivono in 4,5…12 dimensioni che appaiono e scompaiono nel nostro mondo.

“String theory” predice 6 extra dimensioni

Domanda: perché la gravità è così debole? (la risposta ha a che fare con extra dimensioni ??)



3 - Oscuri Segreti Abbiamo un altro problema:

Quello che vi ho raccontato spiega solo il 5% dell’universo, questa volta abbiamo perso il 95% dell’universo

Cosa sappiamo del 95% dell’universo?Sappiamo che c’è perché ne vediamo il suo effetto gravitazionale

Il 22-25% è costituito da ‘Dark Matter’:I. Non emette nessun tipo di radiazione elettromagnetica. II. Fa ruotare le galassie più velocementeIII.Una possibilità è che contenga ‘particelle super-simmetriche’

Il 70 - 73% è composto da ‘Dark Energy’1. Riempie uniformemente tutto lo spazio2. Aumenta la velocità di espansione dell’universo



4 - Simmetrie NascosteLe simmetrie della natura sono spesso “nascoste”, “rotte” da effetti

che si sovrappongono.

Esempio: le leggi della fisica sono simmetriche per rotazione. Sulla terra invece, a causa della gravità, questo non è vero.

Si dice allora che la

simmetria è nascosta

(o rotta) dalla gravità.

La simmetria esiste,

ma non si vede più

La ricerca di simmetria nascoste è il mestiere dei fisici teorici…



L’idea di Mr. Higgs

Le particelle non hanno massa, e sono simmetriche tra loroQuesta simmetria è “nascosta” (broken) dal fatto che il bosone di

Higgs, interagendo con le particelle, le rende massive



La massa dei leptoni e quarkIdea chiave:

Il campo di Higgs si incolla alle particelle e crea la loro massa

La massa è una proprietà che viene acquisita attraverso l’interazione con il bosone di Higgs: sembrano avere massa perché interagiscono con il bosone di Higgs e diventano più difficili da spostare.



Nota Bene



Problemi successivi

L’origine della particella di Higgs L’esistenza della particella di Higgs fa si che il modello matematico sia inconsistente.

Molte delle inconsistenze si risolvono introducendo un’ulteriore simmetria nascosta: la supersimmetria

La “Supersimmetria” crea una simmetria tra particelle fermioniche (spin frazionario) e bosoniche (spin intero) ogni particella esiste sia nella versione fermionica che bosonica.



La Supersimmetria

Secondo la supersimmetria quindi dobbiamo trovare:

-Quark e leptoni che sono bosoni (s-quark, s-lepton)-Gluoni, fotoni che sono fermioni

Dato che è una simmetria deve capitare:massa dei quark = massa s-quarkmassa dei leptoni = massa degli s-leptoni

Non abbiamo mai trovato s-quark o s-leptoni, quindi la loro massa è molto più grande dei loro fratelli fermionici. Questo vuol dire che la supersimmetria è rotta, nascosta da qualche cosa…



Riassunto : 2 simmetria nascoste

L’universo è fatto (forse) da particelle supersimmetriche che si presentano sia nello stato bosonico che fermionico, tutte a massa nulla (elettrone con spin = 0 ed ½).

La supersimmetria è rotta da qualche cosa che non sappiamo, che agisce sulle particelle bosoniche e le fa sparire (molto molto pesanti??)

Le particelle fermioniche sono ancora senza massa

La simmetria è rotta dal campo di Higgs

Le particelle fermioniche hanno massa “piccola” (<200 GeV) le particelle bosoniche sono molto pesanti (~ 500-1000 GeV)È vero??? E perche’?

??

Higgs Misurato

IPOTESI



Una particella esasperante: il bosone di Higgs

Gran parte della comunità scientifica ritiene l’esistenza del bosone di Higgs molto probabile, e la sua ricerca è alla base del più grande esperimento scientifico mai costruito.

Come lo si cerca? Per prima cosa bisogna farlo….

Noi non sappiamo quanto pesa, per cui per 20 anni si è sperato di trovarlo ogni volta che un nuovo acceleratore veniva acceso…ma invano.

LHC è così potente che, se esiste, lo facciamo di sicuro



Come si fa un bosone di Higgs?La teoria ci dice quali sono i meccanismi di produzione: • Si parte da due protoni• due “costituenti” si fondono, e si forma l’Higgs



Per i curiosi



Che probabilità ha di crearsi un bosone di Higgs?

Si riesce a fare un bosone di Higgs una volta ogni 1012 urti…

Nel modo in cui funziona LHC adesso, si fa circa un Higgs ogni ora(secondo la teoria attuale). Urto protone-protone

che fa un Higgs

Urto protone-protone

10-12



Come facciamo a vederlo?

L’Higgs decade subito in altre

particelle:

dobbiamo misurare la massa di coppie bb, oppure WW, ZZ, …, e vedere se hanno la stessa massa.



protone

protone

fotone

fotone

Evento misura a CMS a Giugno 2011

E’ o non è un “Higgs ” ?



protone

protone

muone

Evento misura a CMS ad Agosto 2011

muone

muone

muone

E’ o non è un “Higgs muoni” ?



elettrone

Evento misura a CMS ad agosto 2011

elettrone

elettr

one

elettrone

E’ o non è un “Higgs elettroni” ?



Segnale e fondo Supponiamo di vedere in uno scontro due fotoni nello stato finale. -Segnale: È possibile che siano dovuto al decadimento dell’Higgs H-Fondo: È molto probabile che sia dovuti ad altre cose.

Bisogna fare un’analisi statistica per capire se si vede un segnale o no.



Coppie di fotoni

Se le coppie di fotoni:

sono casuali, allora la loro massa non ha un valore fisso.

vengono dal decadimento dell’Higgs, allora hanno tutte la stessa massa: M = MHiggs



Cosa può capitare? Segnale Higgs forte:

Se il segnale è molto grande, lo si vede facilmente:

Stoccolma Time!!!!



Cosa può capitare? Segnale Higgs nullo:

Se il segnale è non c’è:

Coffe Time!!!!



Cosa può capitare? Segnale Higgs incerto:

Se il segnale è dubbio:

Statistic Time!!!!



Separazione Segnale - Fondo

Bisogna valutare la probabilità che il “fondo”, cioè eventi casuali, creino dei falsi segnali, cioè degli agglomerati di eventi tutti con la stessa massa, ma che non sono dovuti all’Higgs

Questo lo si fa introducendo il p-value:

p-value = probabilità che il fondo generi un numero di eventi uguale o più alto di quelli visti “



P-value per una distribuzione di Poisson

Supponiamo di aspettarci 100 eventi, e ne vediamo 100, 110, 120…Che probabilità ha l’ipotesi nulla (niente Higgs) di essere corretta?

Valore Atteso

Valore Misurato

P-Values

100 100 0.51

100 110 0.17

100 120 0.028

100 130 0.0023 Poco probabile

Molto probabile

Nel bin misuro 110 eventi, vado o non vado a Stoccolma? NO



CMS ATLAS

Due piccoli picchi, nello stesso posto:

125 GeV

Ed adesso?Si aspetta…



E ad altri valori della massa?

La ricerca dell’Higgs è fatta per tanti ipotetici valori di massa, da circa 110 a 600 GeV.

Per tutti i valori, tranne ~126 GeV, l’ipotesi nulla (che non ci sia Higgs) ha un p-value alto, cioè funziona bene.

Questo fatto ci permette di dire che tutte le masse, tranne 120-127 GeV, sono escluse.



Per concludere: è proprio l’Higgs od un’altra particella?

Not Mr HiggsLa teoria ci dice con grande precisione con che frequenza si produce l’Higgs ed in cosa decade.

Nei prossimi anni possiamo constatare se quello che abbiamo visto è l’Higgs o qualche altra meraviglia della natura

Mr Higgs

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