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Fisica agli Acceleratori di Particelle

Fisica agli Acceleratori di Particelle. Stefania Spagnolo Dipartimento di Fisica e Sezione INFN, Lecce. Il Modello Standard (MS). La teoria dei costituenti ultimi della materia e delle loro interazioni. La predittivita` della teoria e le misure. Gli esperimenti agli acceleratori.

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Fisica agli Acceleratori di Particelle

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Presentation Transcript

  1. Fisica agli Acceleratori di Particelle Stefania Spagnolo Dipartimento di Fisica e Sezione INFN, Lecce

  2. Il Modello Standard (MS) La teoria dei costituenti ultimi della materia e delle loro interazioni La predittivita` della teoria e le misure Gli esperimenti agli acceleratori 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

  3. e- m-t- t+ m+e+ u c t t c u Il Modello Standard Z … gli ingredienti _ _ _ ntnm ne nenm nt leptoni W W anti-materia Z, g materia _ _ _ quark _ _ _ d s b W b s d W Z, g bosonivettori

  4. Il Modello Standard le interazioni forti protone q q g(gluone) I colori: le cariche delle interazioni forti Cosa accede se si produce una coppia qq di alta energia d s b Z 91 GeV … gli ingredienti nenm nt Q  0 leptoni e- m-t- Q=-1 W 0.5 MeV 0.106 GeV 1.8 GeV 80 GeV Spin 1/2 materia 1 GeV = massa del protone Spin 1/2 u c t Q=2/3 _ 175 GeV 1.5 GeV 3 MeV quark W Q=-1/3 6 MeV 0.125 GeV 4.5 GeV Z, g Spin 1

  5. Il Modello Standard Una teoria di campo “gauge invariante” L Una Lagrangiana con un alto grado di simmetria L=particelle di materia libere + bosoni vettori liberi + interazione materia-bosoni + interazioni bosoni-bosoni+ XXX 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)

  6. Processi elementari tempo diagramma di Feynman Intervengono i vertici consentiti dalla Lagrangiana La probabilità di un processo è espressa dal concetto di sezione d’ urto s Misurata in cm2più spesso in pb10-24 cm2 = 1 pb Calcolata con tecniche perturbative ~ |Si Ai |2 A s ampiezza di scattering (complesse) In generale piu`diagrammi contribuiscono a un processo Le ampiezze interferiscono nella sezione d’urto a4 a2 Il numero di vertici definisce l’ordine dello sviluppo perturbativo

  7. Agli acceleratori di particellesi osservano gli “eventi” (stati finali) che risultano dagli urti tra particelle (stato iniziale) in laboratorio e accelerate a velocita` relativistiche (v ~ c) elettroni protoni anti-eletroni anti-protoni Occorre descrivere la cinematica dell’urto in relatività ristretta applicando la conservazione dell’energia e dell’impulso _  s = (|Si Ei|2 - |Si pi|2 )1/2 Invariante relativistico Nel sistema del c.m. p = 0 e _  s = energia totale Particelle interagenti predizione teorica Particelle prodotte (stato finale) tempo Serie di diagrammi di Feynman

  8.  s = ( ((m2 +p 2)1/2 +M)2 - p2)1/2 = ( 2Mp)1/2 s = E1 +E2 = = 2p Gli acceleratori e gli esperimenti Accumulatori A bersaglio fisso (FT) Colliders lineari o circolari Accelerando protoni fino a 100 GeV è possibile produrre particelle di massa < 14 GeV in esperimenti a FT < 200 GeV in esperimenti a collider

  9. p, m -p, m I Colliders Si classificano principalmente in base a Tipo di particelle accelerate s = Ecm (energia nel centro di massa) Luminosità L Determina il tipo di processi accessibili alla soglia di energia disponibile N eventi prodotti = L sDt L = f n1 n2 4psxsy ______ I fasci sono costituiti da pacchetti di particelle ( n per pacchetto ) di dimensioni sxsy e collidono con frequenzaf sx e sy sono dell’ordine di 10 - 100 mm

  10. Collider circolari • LEP LHC • 1032 cm-2s-1 1034 cm-2s-1 • 210 GeV 14 TeV e+e- pp 22ms 25ns 45x1010 10.5x1010 luminosità Ecm particelle Tempo tra 2 collisioni dei fasci Particelle in un pacchetto

  11. Rivelatori ai colliders Struttura a “cipolla” 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

  12. Le particelle scoperte dal 1960 a oggi… … e il ruolo degli acceleratori MARK I ’  J/ p+p- J/  e+e- 10 Nov. 1974 MARK I at SPEAR SLAC In urti e+e- si osserva per la prima volta la J/, particella costituita da un quark e un antiquark c m(J/) = 3.1 GeV (3 volte la massa del protone)

  13. 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  _

  14. Il leptone piu` pesante t 1975 SPEAR (urti e+e-) M. Perl osserva eventi con un elettrone e un muone Premio Nobel nel 1995

  15. 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 e+ e- _ q q Gli acceleratori e la QCD e- q Una predizione della QCD verifivata a SPEAR nel 1973 in urti e+e- a Ecm= 4 GeV _ q e+ PETRA DESY 1979 Ecm=30 GeV Prima evidenza del gluone 3 getti di adroni gluone

  16. 1983 UA1 a SPS CERN collisioni pp a Ecm = 540 GeV _ Prima produzione diretta dei bosoni Z e W mediatori assieme al g delle interazioni elettro-deboli Le tracce bianche rappresentano una coppia e+e- prodotta nel decadimento di un bosone Z 1994 CDF a TEVATRON Fermilab collisioni pp a Ecm = 1.8 TeV _

  17. Lo stato del Modello Standard Le verifiche di precisione a LEP e+e- a Ecm = 91 GeV dal 1989 al 1995 e+e- a Ecm = 130-210 GeV dal 1996 al 2000 LEP1 LEP2 La ricerca dei blocchi mancanti a LHC pp a Ecm = 14 TeV dal 2006 al …

  18. 27 Km di circonferenza 100 m sotto il suolo 4 punti di interazione Il tunnel di LEP e LHC al CERN

  19. _ n Nm-(avanti) - Nm-(dietro) ____________________ Nm-(avanti) + Nm-(dietro) LEP1 La maggior parte delle misure di precisione sulla fisica elettrodebole proviene da LEP1 e SLD (SLAC) dal 1989 al 1995 4 esperimenti e+e- a Ecm = 91 GeV = MZ _ e+ e+ m+ t+ q 4 possibili stati finali osservabili Z  s=MZ2 m- e- t- q n q  top (troppo pesante) e- Risonanza nella sdi annichilazione elettrone-antielettrone Per ogni stato finale si misurano sezioni d’urto e asimmetrie avanti-indietro smm = Nmm / (L Dt) 106 Z per ogni esperimento  misure di grande precisione

  20. Z lineshape Misura della s di produzione di adroni in funzione di Ecm Una sorta di Breight-Wigner descrive la shape della risonanza s ~ (s - Mz2 + i MzGz)-2 La posizione del picco misura la massa del bosone Z MZ Gz la larghezza della risonanza è legata alla probabilità di decadimento Gz = 3Gll +Gadroni + NnGnn È possibilie misurare le specie di neutrini conoscendo Gnn dalla teoria e misurando Gll Gadroni Gz

  21. MZ Una delle misure piu` precise mai prodotte in fisica delle particelle Dalla combinazione dei risultati di 4 esperimenti Massa del bosone Z

  22. = 2.994  0.012 = 3.00  0.06 Nn Nn Gz la larghezza della risonanza è legata alla probabilità di decadimento Gz = 3Gll +Gadroni + NnGnn Dal fit complessivo al Modello Standard

  23. b b t W sbb = s0(1 + C(mt)) t b b Misure sensibili a grandezze non direttamente osservabili attraverso i contributi degli ordini perturbativi più alti 106 Z/esperimento  Precisione sperimentale ~ 0.1% Teoria: lo sviluppo perturbativo non può fermarsi al all’ordine piu` basso q q q g g q q q sadroni = s0 ( 1 + as/p + 1.4 (as/p)2 – 13 (as/p)3 ) In particolare da Ghad/Gll si ottiene una delle misure più precise della costante di accoppiamento forte

  24. 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 osservato la cui massa non è predetta dalla teoria

  25. Come si ottengono le misure indirette ? Un Fit complessivo dei dati al Modello Standard Parametri di input per la teoria (alcuni noti, altri liberi nel fit) La teoria del MS Il fit Le misure

  26. I risultati del fit

  27. L’unica risposta certa finora Le misure di precisione sono poco sensibili a MH Chi e`l’ Higgs ? Dove cercarlo e come ?

  28. Ritornando alla Lagrangiana … XXX = Bosone di Higgs libero + interazioni Higgs-fermioni + interazioni Higgs-bosoni Perché un bosone di Higgs ? Il MS è una teoria rinormalizzabile se fermioni e bosoni hanno m=0! Proporzionali alle masse 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

  29. b E` possibile rivelare l’Higgs a LEP 2 se MH < Ecm – MZ e se si ha abbastanza luminosita` _ b Agosto 2000 Ecm=206 GeV, MH = 114 GeV, MZ = 93 GeV I jet di quark b sono caratterizzati da vertici di decadimento distanti dal punto di interazione Alla fine del 2000 (chiusura di LEP2) ~ 10 eventi sono consistenti con l’ipotesi di MH = 115 GeV bassa significativita` per una scoperta

  30. 27 Km di circonferenza 100 m sotto il suolo 2001 il tunnel di LEP diventa il tunnel di LHC Attualmente in costruzione Primi fasci in LHC previsti per il 2006

  31. La ricerca dell’ Higgs a LHC pp con Ecm = 14 TeV 2 esperimenti: ATLAS, CMS ATLAS

  32. Le collaborazioni hanno piu` di 1000 membri

  33. Display di eventi simulati

  34. Collisioni pp a E = 14 TeV a LHC Sezione d’urto inelastica totale = 80 mb  109 eventi/s I processi interessanti sono urti tra i quarks che costituiscono i protoni Ecm(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)

  35. Sezione d’urto in pb (1 pb=10-12b) di produzione del bosone di Higgs in funzione della sua massa g t H g q q W,Z H q W,Z q I principali meccanismi di produzione

  36. Branching ratios per il decadimento del bosone di Higgs L’Higgs decade in coppie di fermioni e bosoni L’Higgs preferisce decadere in coppie di particelle pesanti Frequenza di decadimento nei diversi canali > 2 MZ Se MH il canale privilegiato per la scoperta è HZZ fondo bassissimo buona efficienza di ricostruzione e selezione m+m- m+m- e+e-

  37.   s (m+m-) = MZ s (e+e-) = MZ s (m+m- e+e-) = MH Simulazione di un evento di Higgs in ATLAS Se M (Higgs) > 180 GeV = 2 MZ si identificano 2 muoni e 2 elettroni tali che allora Se MH = 800 GeV il numero di eventi prodotti in un anno di run a bassa luminosità è 104 (109 eventi con jet di pT> 200 GeV)

  38. 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) 5 N1/2 = sN (fondo) sN(totale) perché N(fondo)>>N(segnale) definisce la scoperta

  39. La mole di eventi e di dati in ATLAS 1 pB = 1015 Byte Se tutti gli eventi fossero registrati Il flusso di dati sarebbe 40TByte/s = 40 x 1012Byte/s

  40. L’elettronica di front-end deve avere capacità selettiva per gli eventi interessanti Successivo livello di selezione che coinvolge i rivelatori più lenti Selezione basata sulla ricostruzione complessiva dell’evento La selezione degli eventi prima (trigger di I e di II livello) e durante l’acquisizione (filtro di eventi)

  41. Lo spettrometro consiste di RPC per l’identificazione veloce dei muoni (INFN Lecce, Roma, Napoli) e MDT per la misura del loro momento Gli RPC sono un elemento essenziale nel trigger di I livello campo magnetico toroidale per curvare le tracce dei muoni

  42. Il lavoro dei fisici di ATLAS da oggi fino al 2006 In attesa della fisica e per poter fare della fisica Hardware: Costruzione dei rivelatori Test delle performances Assemblaggio al CERN Software: Sviluppo di tecniche di calibrazione dei rivelatori Sviluppo di tecniche di ricostruzione degli eventi Studio della strategia di analisi degli eventi A Lecce e` stata progettata la meccanica degli RPC 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

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