Masterclass 2011 L’esercizio Z ad ATLAS Lecce, 22 marzo 2011.
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Masterclass 2011Masterclass 2011L’esercizio Z ad L’esercizio Z ad
ATLASATLAS
Lecce,22 marzo 2011
Siamo alla vigilia di un’era avvincente con nuove grandi scoperte previste per la Fisica delle Particelle Elementari!
L’esperimento ATLAS ha raccolto nel 2010 dati a un’energia nel centro di massa di 7 TeV. Oggi vedremo come ATLAS si comporta coi dati relativi alla produzione di una particella nota nel Modello Standard: il bosone Z
LHC e la Nuova FisicaLHC e la Nuova Fisica
Al CERN di Ginevra, l’acceleratore LHC e i suoi grandi esperimenti stanno lavorando a questo scopo.
LHC è un acceleratore (collider) di protoni al CERN.
È circolare, con diametro di 27 km. Si trova a ~100 m sotto il suolo al confine tra Francia e
Svizzera
LHC e la Nuova FisicaLHC e la Nuova Fisica
Rivelatori di particelle per Rivelatori di particelle per esperimenti ai collideresperimenti ai collider
Obiettivo: ricostruire le caratteristiche dello stato finale
Dispositivi che producono un segnale ossevabile quando vengono colpiti da una particella, per effetto delle interazioni della particella con gli atomi o le molecole del mezzo attraversato.Segnale osservato:carica di ionizzazione, luce, raggi X etc. Segnali indotti ~sempre convertiti in segnali elettrici digitalizzati I rivelatori:
•Identificano la natura (massa/carica) delle particelle.
•Misurano il momento delle particelle cariche (traiettorie in campo magnetico).
•Misurano l’energia delle particelle neutre.
Tipica composizione di un apparato
Cilindri concentrici che si sviluppano attorno all’asse dei fasci.
Dall’interno all’esterno:
Tracciamento
Calorimetro electtomagnetico
Calorimetro adronico
Magneti*
Camere per i muoni
*Posizione e forma dei magneti dipendono dall’esperimento.
Esperimenti ai colliderEsperimenti ai collider
L’apparato di ATLASL’apparato di ATLAS
Animazione swf (sul web)
L’apparato di ATLASL’apparato di ATLAS
L’apparato di ATLAS (Just for fun )L’apparato di ATLAS (Just for fun )
L’apparato di ATLAS (Just for fun )L’apparato di ATLAS (Just for fun )
L’apparato di ATLAS (Just for fun )L’apparato di ATLAS (Just for fun )
L’apparato di ATLAS (Just for fun )L’apparato di ATLAS (Just for fun )
L’apparato di ATLAS (Just for fun )L’apparato di ATLAS (Just for fun )
I fasci di particelle hanno un’energia di 3.5 TeV:2 x 3.5 TeV = 7 TeV
Le singole costituenti dei protoni (i quarks) hanno con sé solo una frazione di tale energia. Nella collisione si possono produrre nuove particelle la cui massa è sempre minore dell’energia totale disponibile
Interazioni dei protoniInterazioni dei protoni
Le collisioni creano nuove particelle che decadono immediatamente. Le particelle che decadono producono sempre particelle più leggere.
I decadimenti delle particelle obbediscono a definite leggi di conservazione (Energia, Momento, Carica, etc…)
Decadimenti di particelleDecadimenti di particelle
Le collisioni dei fasci di protoni generano una grande quantità di particelle, è opportuno imparare a distinguere le particelle più interessanti da quelle meno interessanti, in un ambiente densamente popolato di particelle.
Decadimenti di particelleDecadimenti di particelle
Noi,oggi, stiamo cercando il bosone Z, una particella neutra (cioè senza carica) che può decadere in due muoni oppure in due elettroni.*
Decadimenti di particelleDecadimenti di particelle
* La Z ha anche altri decadimenti . . . ma per oggi non ci interessano
Decadimento dello Z Decadimento dello Z
Ogni singola particella Z deve decadere, ma è impossibile sapere in anticipo in quale tipo di particelle decadrà.
Tutto ciò che si può dire è che ha una certa probabilità di decadere in un certo tipo di particelle e le frequenze dei diversi tipi di decadimento possono essere calcolate teoricamente nel Modello Standard
Una particella Z può decadere in: due elettroni (Z0→ e+ + e- ) due muoni (Z0→ + + -) due particelle tau (Z0→ + + - ) due neutrini (Z0→ + e due quark (Z0→ q + q ) (q=u,d,c,s,b ma non t che è troppo
pesante)
~3,3 %
~3,3 %
~3,3 %
~20 %~70 %
~10 %
INVISIBILE!
Per identificare bene i decadimenti dello Z di cui siamo interessati ricordiamo bene come sono fatti!!!
Decadimento dello ZDecadimento dello Z
e+
e-
Z
µ-
µ+
Z
* La Z ha anche altri decadimenti . . . ma per oggi non ci interessano
E’ importante non confondere i decadimenti del bosene Z con altri decadimenti tipo quelli del bosone W+/- !!!
Altri decadimentiAltri decadimenti
W
ν νW
eeW)(
)()(
)(
)()(
W
e
Siamo interessati, quindi ad eventi con coppie muone-antimuone (“dimuone”) o elettrone-positrone (“dielettrone”), con alto momento trasverso pt
Decadimento dello ZDecadimento dello Z
Sarà necessario fare dei “tagli” per eliminare le tracce con energia troppo bassa se vogliamo trovare le particelle che ci interessano.
Il Display di un evento in Il Display di un evento in ATLASATLAS
Vista trasversa
Vista longitudinale
Depositi di energia nel calorimetro elettromagnetico
L’event display HYPATIAL’event display HYPATIA
Per esempio, se tagliamo tutte le tracce con energia (o momento) minore di 5 GeV, allora il l’evento diventa più chiaro.
Tagli di cinematica per Tagli di cinematica per ripulire un eventoripulire un evento
Analisi di eventi in ATLASAnalisi di eventi in ATLAS
Cosa Vedete?
Alcun segno di Elettrone o Muone?
Energia mancante?
Che tipo di evento potrebbe essere?
Analisi di eventi in ATLASAnalisi di eventi in ATLAS
Cosa Vedete?
Alcun segno di Elettrone o Muone?
Energia mancante?
Che tipo di evento potrebbe essere?
Analisi di eventi in ATLASAnalisi di eventi in ATLAS
Cosa Vedete?
Alcun segno di Elettrone o Muone?
Energia mancante?
Che tipo di evento potrebbe essere?
Analisi di eventi in ATLASAnalisi di eventi in ATLAS
Cosa Vedete?
Alcun segno di Elettrone o Muone?
Energia mancante?
Che tipo di evento potrebbe essere?
Analisi di eventi in ATLASAnalisi di eventi in ATLAS
Cosa Vedete?
Alcun segno di Elettrone o Muone?
Energia mancante?
Che tipo di evento potrebbe essere?
Analisi di eventi in ATLASAnalisi di eventi in ATLAS
Cosa Vedete?
Alcun segno di Elettrone o Muone?
Energia mancante?
Che tipo di evento potrebbe essere?
La massa invariante del La massa invariante del Bosone ZBosone Z
Come facciamo a distinguere eventi con le stesse particelle nelle stato finale, ma genereti da particelle diverse? Per esempio:
eeZ oppure Z
da eeZ ' 'ZLe masse dei bosoni Z e Z’ sono differenti!!! E’ necessario misurare la massa delle particelle attraverso l’impulso ed il momento delle particelle prodotte nel decadimento
La massa del bosone Z con La massa del bosone Z con ATLASATLAS
La massa invariante non assume un singolo valore!
La larghezza di questa distribuzione dipende da due fattori La larghezza
intrinseca della particella (tanto maggiore tanto è breve la vita media)
La risoluzione del rivelatore nella misura delle particelle finali
Calcolo della massa Calcolo della massa invariante con Hypatiainvariante con Hypatia
Calcolo della massa Calcolo della massa invariante con Hypatiainvariante con Hypatia
Inseriamo ogni valore della “massa” in un istogramma.
Si nota un picco, dove? È abbastanza ben definito?
Qual è l’ampiezza?
Si notano valori anomali?
La “massa” è misurabile con quale precisione?
Sugli istogrammi (1)Sugli istogrammi (1)
“Science is nothing but developed perception, interpreted intent, common sense rounded out and minutely articulated.” George Santayana
Le osservazioni indirette, l’immaginazione e il pensiero logico e critico, opportunamente combinati, conducono alle conclusioni giuste.
Pertanto: lavorate insieme, pensate (quando serve anche fuori dal coro), e siate critici su qualsiasi risultato abbiate davanti per capire cosa sta avvenendo davvero.
Qualcosa da ricordare…Qualcosa da ricordare…
Fate pratica con eventi di esempio. Chiedete aiuto a noi se avete dubbi. Trovate candidati di decadimenti di Z (e altro!) Annotate nel foglio di calcolo le masse calcolate con Hypatia. Al termine metteremo assieme i valori in un istogramma e lo comunicheremo al CERN. Buon lavoro e buon divertimento!
Ed ora analizziamo gli eventi!Ed ora analizziamo gli eventi!
Principi di conservazionePrincipi di conservazione
Energia di una particella a riposo
Energia di una particella in movimento
Energia e momento sono conservatiEnergia , , 21 EEEEEE afterafterbefore
momento vettore ,21
pppp
pp
after
afterbefore
20cmE
22420 cpcmE
Formula teorica della massa del bosone Z o massa invariante
Dopo un pò di ginnastica ed applicando i principi di conservazione arriviamo alla formula della massa della Z
Nella formula compaiono le seguenti
quantità Massa Energia Momento
dei 2 prodotti di decadimento
2211
222
221
2 22)()(2
cppEEcmcmcmz