Un cammino condiviso con Gianluigi
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Stimando le masse delle particelle:dal top, via bosone di Higgs, fino alla
supersimmetria
Un cammino condiviso con Gianluigi
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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
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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
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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!
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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
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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”!
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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!
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Il quark ‘top’: Una stima raffinata con Gianluigi
• mt < 185 GeVvariando mc
• Indicazioni su sin2θW
• Commenti sulla sensibilità a mH
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Il quark ‘top’: il ruolo della massa dello Z
• Una misura precisa della massa dello Z darebbe una indicazione importante della massa del top
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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
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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
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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?
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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
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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
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• Primi tentativi negli anni 1990, 1991:
• Molto difficile prima della scoperta del top
Stimando la Massa del bosone di Higgs
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• Dopo la scoperta del top:
• Solide indicazioni di un bosone di Higgs leggero
Stimando la Massa del bosone di Higgs
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• 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
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La ricerca del bosone di Higgs al Tevatron
Il Tevatron esclude un bosone di Higgs fra 158 & 173 GeV
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Le prime ricerche ad LHC
Un contributo significativo al fit globale
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Combinando le informazioni sulla massa del bosone di Higgs
mH = 120+ 12-5 GeV
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Una stanzasenza
finestre …
… una portada aprire
Cosa c’èfuori della
stanza?
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Extra-Dimensio
ni
Supersimmetri
a
Tecnico
lor
W’, Z’
Buchi neri
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Extra-Dimensio
ni
Supersimmetri
a
Tecnico
lore
Buchi neri
W’, Z’
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• Un vuoto non stabile?
• Indicazioni contro un modello composito• La supersimmetria?
Fisica oltre il Modello Standard?
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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
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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
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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
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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
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Stimando le masse delle particelle supersimmetriche
O.Buchmueller, JE et al: arXiv:0808.4128
Prima del’LHC
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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
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Visione d’insieme di LHC e dei suoi esperimenti
100 m sotto terra27 km di circonferenza
![Page 32: Un cammino condiviso con Gianluigi](https://reader035.fdocumenti.com/reader035/viewer/2022062520/56816139550346895dd09875/html5/thumbnails/32.jpg)
![Page 33: Un cammino condiviso con Gianluigi](https://reader035.fdocumenti.com/reader035/viewer/2022062520/56816139550346895dd09875/html5/thumbnails/33.jpg)
Un bosone di Higgs potrebbe apparire così
![Page 34: Un cammino condiviso con Gianluigi](https://reader035.fdocumenti.com/reader035/viewer/2022062520/56816139550346895dd09875/html5/thumbnails/34.jpg)
La materia oscura potrebbe apparire così
Energia invisible portata via daparticelle di materia oscura
![Page 35: Un cammino condiviso con Gianluigi](https://reader035.fdocumenti.com/reader035/viewer/2022062520/56816139550346895dd09875/html5/thumbnails/35.jpg)
35
20 novembre 2009: contentissimi!
![Page 36: Un cammino condiviso con Gianluigi](https://reader035.fdocumenti.com/reader035/viewer/2022062520/56816139550346895dd09875/html5/thumbnails/36.jpg)
Concentrazione, ansietà …
… attesa e trepidazione
![Page 37: Un cammino condiviso con Gianluigi](https://reader035.fdocumenti.com/reader035/viewer/2022062520/56816139550346895dd09875/html5/thumbnails/37.jpg)
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
![Page 38: Un cammino condiviso con Gianluigi](https://reader035.fdocumenti.com/reader035/viewer/2022062520/56816139550346895dd09875/html5/thumbnails/38.jpg)
CMSSM
O.Buchmueller, JE et al: in preparation
Stimando le masse supersimmetricheCon i dati LHC 2010
![Page 39: Un cammino condiviso con Gianluigi](https://reader035.fdocumenti.com/reader035/viewer/2022062520/56816139550346895dd09875/html5/thumbnails/39.jpg)
CMSSM
O.Buchmueller, JE et al: in preparation
Stimando la massa del gluinoCon i dati LHC 2010
![Page 40: Un cammino condiviso con Gianluigi](https://reader035.fdocumenti.com/reader035/viewer/2022062520/56816139550346895dd09875/html5/thumbnails/40.jpg)
NUHM1
O.Buchmueller, JE et al: in preparation
Il processo raro Bsμ+μ- ?Con i dati LHC 2010
![Page 41: Un cammino condiviso con Gianluigi](https://reader035.fdocumenti.com/reader035/viewer/2022062520/56816139550346895dd09875/html5/thumbnails/41.jpg)
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
![Page 42: Un cammino condiviso con Gianluigi](https://reader035.fdocumenti.com/reader035/viewer/2022062520/56816139550346895dd09875/html5/thumbnails/42.jpg)
Torniamo ai neutrini
• Il lavoro attuale di Gianluigi, Eligio ed amici
• Aspettiamo con entusiasmo una nuova generazione di esperimenti
![Page 43: Un cammino condiviso con Gianluigi](https://reader035.fdocumenti.com/reader035/viewer/2022062520/56816139550346895dd09875/html5/thumbnails/43.jpg)
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!