Fisica agli Fisica agli Acceleratori di Acceleratori di ParticelleParticelle
Stefania SpagnoloDipartimento di Fisica e Sezione INFN, Lecce
Il Modello Standard (MS)
La teoria dei costituenti ultimi della materia e delle loro interazioni
Gli esperimenti agli acceleratori
La predittivita` della teoria e le misure
Un po’ di storia: il ruolo degli acceleratori nella fisica moderna
I test di precisione del MS a LEP
Il bosone di Higgs
La ricerca del bosone di Higgs a LHC
Il Modello Standard
e e
_ _ _
d s b
e- - - + + e+
u c t t c u
b s d
_ _ _
_ _ _
Z,
Z,
Z
W
W
leptoni
quark
anti-materia materia
… gli ingredienti
W
W
bosoni vettori
Il Modello Standard
e
e- - -
u c t
Z,
Z
W
Wd s b
leptoni
quark
materia
… gli ingredienti
1.8 GeV
175 GeV
4.5 GeV
1 GeV = massadel protone
Spin 1/2
Spin 1/2
Spin 1
1.5 GeV
0.106 GeV
3 MeV
6 MeV 0.125 GeV
0.5 MeV
91 GeV
80 GeV
Q=2/3
Q=-1/3
Q 0
Q=-1
_
protone
I colori: le cariche delleinterazioni forti
Cosa accede se si produce una coppia qq di alta energia
g(gluone)
le interazioni forti
Il Modello StandardUna teoria di campo “gauge invariante”
Una Lagrangiana con un alto grado di simmetria
L = particelle di materia libere + bosoni vettori liberi + interazione materia-bosoni + interazioni bosoni-bosoni + XXX
L
I processi elementari, cioè le interazioni tra particelle di materia mediate da bosoni vettori, sono definiti da
uno stato iniziale e uno stato finale e rappresentati da diagrammi di Feynman
(a cui corrispondono quantità “complesse” calcolabili dalla Lagrangiana)
Processi elementariLa probabilità di un processo è espressa dal concetto di sezione d’ urto
Misurata in cm2 più spesso in pb 10-24 cm2 = 1 pb
Aampiezza di
scattering(complesse)
~ |i Ai |2
In generale piu`diagrammi contribuiscono a un processo
Le ampiezze interferiscono nella sezione d’urto
diagramma di Feynman
Intervengono i vertici consentiti dalla Lagrangiana
tempo
Il numero di vertici definisce l’ordine dello sviluppo perturbativo
Calcolata con tecniche perturbative
42
Occorre descrivere la cinematica dell’urtoin relatività ristretta applicando la conservazione dell’energia e dell’impulso
_ s = (|i Ei|2 - |i pi|2 )1/2 Invariante relativistico
Nel sistema del c.m. p = 0 e
s = energia totale_
tempo
Particelle prodotte(stato finale)
Particelle interagenti
predizione teorica
Serie di diagrammi di Feynman
Agli acceleratori di particelle si osservano gli “eventi” (stati finali) che risultano dagli urti tra particelle (stato iniziale) in laboratorio e accelerate a velocita` relativistiche (v ~ c)
elettroniprotonianti-eletronianti-protoni
Gli acceleratori e gli esperimenti
A bersaglio fisso
Colliders
Accumulatori
s = ( ((m2 +p 2)1/2 +M)2 - p2 )1/2
= ( 2Mp )1/2
s = E1 +E2 = = 2p
Accelerando protoni fino a 100 GeVè possibile produrre particelle di massa< 14 GeV in esperimenti a FT < 200 GeV in esperimenti a collider
(FT)
lineari o
circolari
I Colliders
Si classificano principalmente in base a
Tipo di particelle accelerate
s = Ecm (energia nel centro di massa)
Luminosità L
p, m -p, m
N eventi prodotti = L tN eventi prodotti = L t
Determina il tipo di processi accessibili alla soglia di energia disponibile
L = f n1 n2
4xy ______
I fasci sono costituiti da pacchetti di particelle ( n per pacchetto ) di dimensioni xy e collidono con frequenza f x e y sono dell’ordine di 10 - 100 m
Collider circolari
LEP LHC
1032 cm-2s-1 1034 cm-2s-1
210 GeV 14 TeVe+e- pp
22s 25ns45x1010 10.5x1010
luminosità
Ecm
particelle
Tempo tra 2 collisioni dei fasci
Particelle in un pacchetto
Rivelatori ai colliders
Identificano la natura delle particelle
Misurano il momento delle particelle cariche nel rivelatore di tracciamento dalla curvatura delle traiettorie in campo magnetico
Misurano l’energia delle particelle neutre nei calorimetri
Identificano i muoni nei rivelatori piu` esterni
Struttura a “cipolla”
Le particelle scoperte dal 1960 a oggi…
… e il ruolo degliacceleratori
10 Nov. 1974MARK I at SPEARSLAC
In urti e+e- si osserva per la prima volta la J/particella costituita da un quark e un antiquark cm(J/) = 3.1 GeV (3 volte la massa del protone)
MARK I’ J/
J/ e+e-
1980 at the Cornell Electron Storage Ring (CESR)
1 Agosto 1977 Fermilab (USA) Physical Review Letters pubblica la prima evidenza dell’esistenza del quark b
1977 scoperta della particella da un eccesso di coppie +- con energia nel centro di massa 10 GeV in urti di protoni di alta energia su un bersaglio metallico
La e`riconosciuta come lo stato a energia piu` bassa del sistema legato bb
_
Il leptone piu` pesante
1975 SPEAR (urti e+e-)M. Perl osserva eventi conun elettrone e un muone
Premio Nobel nel 1995
Gli acceleratori e la QCD
PETRADESY1979
Ecm=30 GeV
gluone
e-e+
qq_
3 getti di adroni
Prima evidenza del gluone
e-
e+
q
q_
I quark non si propagano come particelle libere ma siano “confinati” in adroni.
Pertanto i quark prodotti in processi elementari si manifestano come getti di particelle adroniche
Una predizione della QCDverifivata a SPEAR nel 1973
in urti e+e- a Ecm= 4 GeV
1983 UA1 a SPS CERNcollisioni pp a Ecm = 540 GeV
_
Le tracce bianche rappresentano una coppia e+e- prodotta nel decadimento di un bosone Z
Prima produzione diretta dei bosoni Z e W mediatori assieme al
delle interazioni elettro-deboli
_
1994 CDF a TEVATRON Fermilabcollisioni pp a Ecm = 1.8 TeV
Lo stato del Modello Standard
Le verifiche di precisione a LEP
La ricerca dei blocchi mancanti
a LHC
e+e- a Ecm = 91 GeVdal 1989 al 1995e+e- a Ecm = 130-210 GeVdal 1996 al 2000
pp a Ecm = 14 TeV
dal 2006 al …
LEP1
LEP2
Il tunnel di LEP e LHC al CERN 27 Km di circonferenza
100 m sotto il suolo4 punti di interazione
LEP1LEP1LEP1LEP1La maggior parte delle misure di precisione sulla fisica elettrodebole proviene da LEP1 e SLD (SLAC)
e+
e-
s=MZ
2 Z
e+
e- -
+ +
-
q
q
_
_
Risonanza nella di annichilazione elettrone-antielettrone
4 possibili stati finaliosservabili
Per ogni stato finale si misurano sezioni d’urto e asimmetrie avanti-indietro
N-(avanti) + N-(dietro)
____________________N-(avanti) - N-(dietro)
106 Z per ogni esperimento misure di grande precisione
q top (troppo pesante)
dal 1989 al 1995 4 esperimenti
e+e- a Ecm = 91 GeV = MZ
= NLt
Z lineshape
Una sorta di Breight-Wigner descrive la shape della risonanza
~ (s - Mz2 + i Mzz)-2
z la larghezza della risonanza
è legata alla probabilità di decadimento
z = 3ll + adroni + N
È possibilie misurare le specie di neutrini conoscendo dalla teoria e misurando ll adroni z
La posizione del picco misura la massadel bosone Z MZ
Misura della di produzione di adroni in funzione di Ecm
Una delle misure piu` precise mai prodotte in fisica delle particelleDalla combinazione
dei risultati di 4 esperimenti
Massa del bosone Z
MZMZ
z la larghezza della risonanza
è legata alla probabilità di decadimento
z = 3ll + adroni + N
N = 2.994 0.012
Dal fit complessivo al Modello Standard
N = 3.00 0.06
106 Z/esperimento Precisione sperimentale ~ 0.1%
Teoria: lo sviluppo perturbativo non può fermarsi al all’ordine piu` basso
q
q
q
adroni = 0 ( 1 + s/ + 1.4 (s/ – 13 (s/ )
q
t
t
b
b
W
b
b
bb = 0(1 + C(mt))
Misure sensibili a grandezze non direttamente osservabiliattraverso i contributi degli ordini perturbativi più alti
gg
In particolare da had/ll si ottiene una delle misure più precise della costante di accoppiamento forte
Le indicazioni indirette dalle misure di precisione sulla massa del W e la massa del quark top confrontate con le misure dirette
mH ???
H Higgs
un bosone previsto dal MS e non ancora osservatola cui massa non è predettadalla teoria
Un Fit complessivo deidati al Modello Standard
Come si ottengono le misure indirette ?
Parametri di input per la teoria(alcuni noti, altri liberi nel fit)
La teoria del MS
Le misure Il fit
I risultati del fit
Le misure di precisione sono poco sensibili a MH
Chi e`l’ Higgs ?
Dove cercarlo e come ?
L’unica risposta certa finora
Ritornando alla Lagrangiana … XXX = Bosone di Higgs libero + interazioni Higgs-fermioni + interazioni Higgs-bosoni
Proporzionali alle masse
Perché un bosone di Higgs ?Il MS è una teoria rinormalizzabile se fermioni e bosoni hanno m=0!
Le masse possono essere generate dinamicamente (senza introdurre “a mano” termini di massa nella Lagrangiana) se si aggiunge XXX preservando la simmetria e la rinormalizzabilità della teoria
Fare previsioni nel MS è impossibile senza il bosone di Higgs
E` possibile rivelare l’Higgs a LEP 2se MH < Ecm – MZ
e se si ha abbastanza luminosita`
b
b _
I jet di quark bsono caratterizzati da vertici di decadimento distanti dal punto di interazione
Ecm=206 GeV, MH = 114 GeV, MZ = 93 GeVAgosto 2000
Alla fine del 2000 (chiusura di LEP2)~ 10 eventi sono consistenti con l’ipotesi di MH = 115 GeV
bassa significativita` per una scoperta
2001 il tunnel di LEP diventa il tunnel di LHC Attualmente in costruzionePrimi fasci in LHC previsti per il 2006
27 Km di circonferenza100 m sotto il suolo
La ricerca dell’ Higgs a LHC pp con Ecm = 14 TeV
ATLAS
2 esperimenti: ATLAS, CMS
Le collaborazioni hanno piu` di 1000 membri
Display di eventi simulati
Collisioni pp a E = 14 TeV a LHC
Sezione d’urto inelastica totale= 80 mb 109 eventi/s
I processi interessantisono urti tra i quarks che costituiscono i protoniEcm(urto) < 14 TeV
Gli eventi di produzione di jet per interazioni forti sono molto più numerosi degli eventi ricercati (produzione di Higgs)
Enorme fondo di eventi con jet Occorre cercate decadimenti del bosone di Higgs in stati finali con leptoni (facilemente identificabili e separabili dal fondo)
Sezione d’urto in pb (1 pb=10-12b) di produzione del bosone di Higgs in funzione della
sua massa
g
g
tH
H
q
q
q
q
W,Z
W,Z
I principali meccanismi di produzione
Branching ratios per il decadimento del bosone di Higgs
Frequenza di decadimento nei diversi canali
L’Higgs decade in coppie di fermioni e bosoni
L’Higgs preferisce decadere in coppie di particelle pesanti
Se MH> 2 MZ
il canale privilegiato per la scoperta èHZZ
+-+-e+e-
fondo bassissimo
buona efficienza di ricostruzione e selezione
s (+-) = MZ
s (e+e-) = MZ
Simulazione di un evento di Higgs in ATLAS
s (+- e+e-) = MH
Se M (Higgs) > 180 GeV = 2 MZ
si identificano 2 muoni e 2 elettronitali che
Se MH = 800 GeV il numero di eventiprodotti in un anno di run a bassa luminositàè 104 (109 eventi con jet di pT> 200 GeV)
allora
La ricerca del bosone di Higgs sarà effettuata anche in altri canali di decadimento
Il potenziale di scoperta complessivo di ATLAS
N eventi segnale
N1/2 eventi fondo
N(segnale) = N(totale)-N(fondo)
N1/2 = N (fondo) N(totale)
perché N(fondo)>>N(segnale)
5
definisce la scoperta
1 pB = 1015 Byte
La mole di eventi e di dati in ATLAS
Se tutti gli eventi fossero registratiIl flusso di dati sarebbe 40TByte/s = 40 x 1012Byte/s
La selezione degli eventi prima (trigger di I e di II livello)e durante l’acquisizione (filtro di eventi)
L’elettronica di front-enddeve avere capacità selettiva per gli eventi interessanti
Successivo livello di selezione che coinvolge i rivelatori più lenti
Selezione basata sulla ricostruzione complessiva dell’evento
Lo spettrometro consiste di RPC per l’identificazione veloce dei muoni (INFN Lecce, Roma, Napoli) e MDT per la misura del loromomento
campo magnetico toroidale per curvare le tracce dei muoni
Gli RPC sono un elemento essenziale nel trigger di I livello
Il lavoro dei fisici di ATLAS da oggi fino al 2006
Hardware:
Costruzione dei rivelatori Test delle performances Assemblaggio al CERN
Software:
Sviluppo di tecniche di calibrazione dei rivelatoriSviluppo di tecniche di ricostruzione degli eventiStudio della strategia di analisi degli eventi
A Lecce assemblaggio (1200 camere !) e
test degli RPC(400 camere!)
A Lecce studio di algoritmi di pattern recognition per la ricostruzione delle tracce di muoni nello spettrometro
In attesa della fisica e per poter fare della fisica
A Lecce e` stata progettata la meccanica degli RPC
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