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