Masterclass 2013 – Prima Parte

1. Masterclass 2013 – Prima Parte (Quasi) tutto quello che c’e’ da sapere sulla fisica delle particelle elementari Stefano Marcellini – INFN Bologna

2. Le particelle fondamentali della natura hanno spin = ½ νe νμντe μτu c tds b Q= 0 LEPTONI Q= -1 Q= +2/3 QUARK Q= -1/3 …piu’ le corrispondenti antiparticelle 3 famiglie

3. Le Interazioni fondamentali • Tutti i fenomeni che conosciamo sono interpretabili mediante 4 forze, o “interazioni” fondamentali. • Int. GRAVITAZIONALE • Int. ELETTROMAGNETICA • Int. DEBOLE 4)Int. FORTE (o nucleare, o “di colore”)

4. Le interazioni avvengono mediante scambio di particelle di spin intero (1 o 2), che si chiamano “portatori della forza” Int. elettromagnetiche fotoni Int. deboli  particelle W+, W-, Z Interazioni forti o di colore  gluoni

5. Esempio: l’atomo elettrone Interazione Elettromagnetica: scambio di fotoni nucleo

6. Int. Elettromagnetica: fotoni Int. forte: 8 tipi di gluoni Int. debole: W+,W- , Zo Int. Gravitazionale: Gravitoni particella A Interazione carica-mediatore Mediatore della forza, Scambiato tra A e B particella B

7. Esempio: decadimento Beta protone neutrone Quark d Quark u W- elettrone La particella W vive per un tempo brevissimo: < 10-23 s. E’ quindi assolutamente invisibile anti-neutrino

8. Due protoni vengono fatti urtare fra loro ad altissima energia (accelerati da un acceleratore) Cosa avviene concettualmente in un urto tra particelle ? Quello che succede nell’urto, avviene su scale spaziali piccolissime, tanto più piccole tanto maggiore è l’energia a cui avviene l’urto. Lo studio dei prodotti della collisioni ci da le informazioni per capire cosa è avvenuto nell’urto

9. Lago Lemano

10. Idealmente, per ogni interazione fra particelle prodotte in un acceleratore, vorremmo disporre di un apparato in grado di: • Misurare l’impulso e la direzione di tutte le particelle • prodotte • Identificare tutte le particelle prodotte • Misurare se sono state prodotte nel vertice di • interazione o altrove

11. Un rivelatore di particelle idealmente deve poter fare tutto questo.

12. Particelle ad alto momento trasverso pt Impulso della particella p Momento trasverso pt Direzione del fascio di protoni incidente

13. Particelle ad alto momento trasverso pt Impulso della particella p Momento trasverso pt Direzione del fascio di protoni incidente

14. Stato finale tipico di LHC: molte particelle di basso pt. Stato finale molto piu’ raro a LHC: molte particelle di basso pt, ma anche alcune ad alto pt. Sono gli eventi “interessanti” che bisogna selezionare. Sono una frazione di molti ordini di grandezza inferiore CMS e ATLAS sono pensati per studiare soprattuto questo tipo di eventi

15. Informazioni utili per l’esercizio di oggi pomeriggio: la particella Zo E’ responsabile delle interazioni deboli “neutre” protone protone Quark u Quark u Zo Elettrone muone La Z ha una massa di circa 91 GeV: circa 91 volte la massa del protone Anti – elettrone Anti – muone La particella Z vive per un tempo brevissimo: 10-25 s E’ quindi assolutamente invisibile, ma…

16. La Zovive pochissimo e poi decade trasformandosi in coppiedi particella-antiparticella. (es: elettrone-antielettroneoppuremuone-antimuone) La misura della massa invariante di queste coppie contiene il “ricordo” del fatto che esse sono state prodotte dal decadimento della Z o di altre particelle.

17. Perche’ non si osserva una massa ben precisa ? Particella che “nasce e muore” in un tempo brevissimo: si puo’ fare a patto che la sua massa (energia) sia indeterminata: Principio di indeterminazione di Heisenberg: ΔE ·Δt > h

18. Bosone di Higgs Particella di spin zero (bosone) . L’interazione delle particelle fondamentali con il campo di Higgs fa loro acquisire la massa 2 fotoni nello stato finale: raro ma “abbastanza chiaro” 4 leptoni nello stato finale: Fondo relativamente basso

19. Bosone di Higgs: Massa = 125 GeV

20. Esercizio di oggi pomeriggio: Ricerca di eventi in cui e’ stata prodotta una particella Z nei suoi decadimenti in coppie di elettroni o muoni Piu’ in generale ricerca di eventi con coppie di elettroni o muoni, che possono evidenziare la produzione di particelle particolari Selezione di questo tipo di eventi rispetto agli eventi di fondo Ricerca di eventi con una coppia di fotoni energetici. Sono eventi all’interno dei quali e’ ricercata l’esistenza del bosone di Higgs. Ricerca di eventi con 4 elettroni, oppure 4 muoni, oppure 2 elettroni e 2 muoni. Anche questi eventi sono utilizzati per cercare il bosone di Higgs. NB. Solo pochi eventi in tutto !

21. Eventi di decadimento della Z (per l’esercizio che farete oggi) Stati finali con 2elettroni Energia trasversa mancante, MET ~ 0 Stati finali con 2muoni NB. Cariche elettriche sempre opposte !!!

22. Perche’“trasversa” ? Impulso della particella p Momento trasverso pt Direzione del fascio di protoni incidente Gliimpulsidei due partoniiniziali non sonouguali!!! Invece nel piano trasverso Pt = 0 prima, e Pt = 0 dopo !!!

23. Decadimento delle particelle W (fondo) Stati finali con elettroni Stati finali con muoni N.B. i neutrini si manifestano come energia trasversa mancante (MET) nell’evento

24. Z ‘ (Zeta primo) In linea di principio e’ possiibile che esistano replica pesanti della Z E’ cercata come la Z, in coppie di 2e oppure 2µ Nei dati che analizzerete sono inseriti alcuni eventi simulati di Z’. Vediamo se li scoprirete e come