7-9 ottobre 2013, CERN

1. I rivelatori e la scoperta del bosone di Higgs Chiara Mariotti INFN-Torino 7-9 ottobre 2013, CERN

2. Le ParticelleElementari • Negliultimi 50 annisièscopertoche l’universoècostituito da particelleelementari (puntiformi). • Combinatetraloroformano la materia di cui siamofatti.

3. Le Forze Le particelleelementariinteragisconotralorotramitemessaggeri, chesonoaltreparticelle, dette“particelleforza”. Le forzecheconosciamo in naturasono: Forzagravitazionale: Caduta dei corpi, moto stellare… Il messaggero si pensa sia ilgravitone Forzaelettromagnetica: corrente, magneti, atomi, chimica… Il suo messaggero è ilfotone tiene uniti i protoni e i neutroni nel nucleo anche se di carica uguale e tiene uniti i quark Il suo messaggero è ilgluone Forza forte: Forza debole radioattività, attività solare … I suoi messaggeri sonoiWe laZ

4. u d e La materia di cui siamo fatti Le ParticelleFondamentali:IlMODELLO STANDARD

5. u s d  e e  Raggi cosmici La materia di cui siamo fatti Le Particelle Fondamentali:Il MODELLO STANDARD

6. t u c s b d  e  e   Si possonoprodurre in laboratorio Raggi cosmici La materia di cui siamofatti Le ParticelleFondamentali:Il MODELLO STANDARD

7. Le particelleforza: ibosoni g gluoni (8) fotone W+,W-, Z t u c s b d  e  e   Si possonoprodurre in laboratorio Raggi cosmici La materia di cui siamofatti Le ParticelleFondamentali:Il MODELLO STANDARD

8. L’antimateria • Esiste la sua antiparticella • Per ogniparticella e ē u ū - d đ ne ne Le particelle e le antiparticellehanno caricaelettricaopposta Si possonoprodurre in laboratorio Puff materia Antimateria 14 miliardi di anni fa, il Big Bang ha creato la materia e l’antimateria in quantita’ uguali. Noiesistiamo perche’ non c’e’ piu’ antimateria. Come e’ successoquesto?

9. Il problemadellamassa • Non c’èunaspiegazionedellamassadelleparticelle. • Eppure le particellehannounamassa, che è enormementediversafraloro!

10. Le particelleforza g gluoni (8) fotone W+,W-, Z bosoni t u c s b d  e  e   Si possono produrre in laboratorio + le antiparticelle ossial’antimateria Raggi cosmici La materia di cui siamo fatti Le ParticelleFondamentali:Il MODELLO STANDARD Higgs

11. Cosa e’ la massa di unaparticella • Il momentope l’energia E di unaparticellachesimuove ad unavelocita’vicino a quelladellalucesono date da: • Quandolavoriamo con oggettirelativistici • la massa a cui ci riferiamo e’quella a riposo • i.e. l’energia a v0 divisa per c2. • Un puntoimportante: particellerelativistichepossoavere m=0 e allostesso tempo E ≠ 0 e p≠0. • Questo e’possibile solo se v=c.

12. La massadelleparticelle • Il protone ha massa, e’ un oggettocomposto (da quark) e la suamassa e’ in teoriacalcolabile. • Delleparticelleelementari (quelleche non hannostrutturainterna) non sipuo’calcolare la massa, ma la sidevemisuraresperimentalmente (ex: elettrone, muone, tau). La massa e’ un numerofondamentale. • Altreparticelle: • ilneutrino: si e‘da poco • scopertoche e‘massivo; • ilfotone di massanulla. i 3 quark checompongonoilprotone sonoresponsabili di solo 1% dellasua massa. Il restovienedall’interazione trai quark e igluoni

13. Il fotone • In meccanicaquantisticarelativisticaogniparticella e’associata ad un campo e viceversa. • Il fotone e’ la particella (messaggero o “particellaforza” )associataallaradiazioneelettromagnetica. E’senzamassa per definizione: la radiazioneelettromagneticaviaggianellospazioallavelocita’dellaluce. • Si capiscebeneilperche’ del valoredellasuamassa. • Il potenzialeelettrostatico ha range infinito: la propagazionedelleondeelettromagnetiche e’possibilesulunghedistanze.

14. Interazionideboli • Le interazionideboli, per contro, sono a corto range: • sebbeneabbianobisogno di “messaggeri”tipoilfotone, • chiamatiW e Z, la loromassa e’ molto grande, circa 100 volte la massa del protone. • La connessionetra l’interazioneelettromagnetica e l’interazionedebole e’ molto profonda: sonodifferentiaspettidellastessainterazionefondamentale (la teoria e’unificata la teoriaelettrodebole). Il perche’ la massa del fotone e le masse di W e Z sonocosi’ diverse e’veramentedifficile da capire.

15. Unasoluzionepossibile • Torniamo all’elettromagnetismo: Sappiamocheifotonipossonocomportarsi come particelle massive: questosuccedequandoviaggiano in un mezzo diversodallospaziovuoto. • La ragionefisica per questo e’che la propagazione del campo elettrico e magnetico (ovvero del fotone) interagisce con il mezzo. L’effettorisultante e’il“rallentamento” dell’ondachesipropagachee’ l’equivalente di unamassaeffettiva per ilfotonechesipropaga. • Si potrebbedunquemodificare lo spaziovuoto in modo tale chesicomporti come un mezzo per le particellechesipropagano?

16. La rotturaspontanea di simmetria • La risposta e’si’: possiamointrodurre un campo tale che: • 1. non abbiavalorenulloquando“non accadenulla” • (ovvero lo stato di minima energia /statofondamentale non sianullo) • 2. che non violiiprincipi di base dellainvarianzarelativistica • 3. interagisca con tuttiglialtricampi“nelmodo giusto” (ossiavogliamoche ad esempioilfotonerimanga a massanulla, mentre W, Z, leptoni e quark acquistinomassa). Le particelle • “muovendosi”nel mezzo dove questonuovo campo e’presente, • acquistanounamassaeffettiva • Il punto 1 e’quellochechiamiamo“rotturaspontanea di simmetria”: lo statofondamentalenoncorrisponde ad unaconfigurazionetotalmentesimmetrica

17. Rotturaspontanea di simmetria • Graficamente possiamo illustrarlo cosi: V()=-|  |2+ |  |4 V()=+|  |2+ |  |4 Lo stato fondamentale non e’ piu’ stabile Simmetria dello stato fondamentale Per andare nello stato stabile, deve scegliere destra o sinistra. La scelta rompe la simmetria in modo “spontaneo”! Lo stato stabile non e’ piu’ simmetrico

18. Il meccanismo di Higgs • Il meccanismodescrittopuo’essereimplementato in modoconsistente: ilmeccanismo di Higgs • Nellaversionepiu’semplicerichiede l’introduzione di un solo campo scalare(SPIN = 0, con una sola componente - mentreilfotone ha 3 componenti): il campo di Higgs. • In meccanicaquantisticarelativistica ci aspettiamoche al campo di Higgs siaassociataunaparticella. • La prova di consistenzainternadelleteorie di campo con ilmeccanismo di rotturaspontaneadellasimmetria di gauge e’stato molto laboriosoed e’unodeirisultati di piu’ alto livellodellafisicateorica.

19. La massa del bosone di Higgs • Questonuovo campo di Higgs responsabiledellamassa di tutte le particellecorrisponde ad unaparticellafisica: • ilbosone di Higgs. • Osservazionediretta di questaparticella e’necessaria per unaconfermache tale meccanismoe’ corretto. • E’/ eral’unicopezzomancantedellateoriacheoggiabbiamodelleinterazionifondamentali (ilModello Standard). • NelModello Standard ilbosone di Higgs deveesistere con unamassa al di sotto di 1 TeV, altrimenti la teoria non e’piu’valida.

20. Il bosone di Higgs • Se cammini e improvvisamenteentri in unapiscina, rallenti. • Se non vedessil’acqua, penseresti di essereimprovvisamentediventatopesante. • Acquisti “massa” perche’ interagisci con un mezzo che e’ tuttoattorno a te. • Il campo di Higgs e’ l’equivalentedell’acquachetistaattorno.

21. Il bosone di Higgs Possiamopensareallaparticella di Higgs come il messaggerodel campo di Higgs, come un fiocco di neve. Possiamopensare al “vuoto” come un mezzo densocheoffre una“resistenza” ad unaforza e quindiéequivalente ad unamassa: quark top elettrone

22. La ricerca di nuoveparticelle • Vogliamodunque: • - scoprire se esisteilbosone di Higgs • Cercareilmeccanismoresponsabiledell’originedelle masse • cercarenuovafisica / nuoveparticelle • verificarealtre e nuoveteorie • Al CERN e’statocostruito l’acceleratorechiamatoLHC(Large Hadron Collider)chesara’ in grado di dare unarisposta a questedomande. • E’ entratoin funzionealla fine del 2009.

23. Gliacceleratori • Acceleriamoparticelleportandole ad altissimeenergie per poi • farlescontrare: • - per studiarecosasuccededurante l’interazione a < 10-13 cm • - per produrrenuoveparticelle grazie a E=mc2 E=mc2 Studiando le particelleprodotte(quantesono, qualisono, le lorocaratteristiche etc.) possiamocapirecosaèsuccesso al momento dell’urto e risalireaiprocessi fondamentalicheregolano la natura

24. Perchéaccelerare? Possiamo vedere fino a dimensioni di ~10-2 cm La meccanica quantistica ci dice che le particelle si comportano come un’onda e viceversa. elettrone = h/E  Tanto più la lunghezza d’onda è piccola / ovvero tanto più l’energia è grande tanto più piccole sono le dimensioni che possiamo esplorare/vedere I microscopielettronicipossonoesplorareregioni di ~10-6 cm – cellule / DNA Per andare oltre (10-13-10-15 cm) dobbiamo accelerare oltre le particelle.

25. - - + + 1 Volt 1 Volt Unita’ di misura di energia • I fisici usano il GeV - Giga ElectronVolt = 109 eV • m(protone) = 0.938 GeV -> 1.67262158(31) x 10-27 Kg • m(elettrone)= 0.0005 GeV -> 9.109 x10-31 Kg =(1/2000 m(p)) elettrone E =1 eV Per dare ad un elettrone l’energia di 1GeV, dovremmomettere di seguito666,666,666 pile da 1.5 Volt !! ....

26. LHC l’acceleratorepiu’potentemaicostruito • L’energiavienemisurata in Elettronvolts -EV- (energiacineticaacquisita da un elettronechevieneaccelerato da unadifferenza di potenziale di 1 Volt) • L’LHC accelerafasci • di protoni ad energie • di 7 Tera-eV • (7.000.000.000.000 eV) • CERN LHC : • E = 7 TeVc-10 Km/h • velocita’luce • c= 299782 Km/s • =1’080’000’000 Km/h

27. LHC 2008: Large Hadron Collider Costruito nel tunnel di LEP / urti protoni - protoni 7x103 GeV Energia dei protoni 1011 protoni per “pacchetto” 2832 pacchetti 40.000.000 interazioni al secondo 7.5 m (25 ns) 7 TeV Protone – 7 TeV Protone 4 interazioni “tra pacchetti “ ogni 10-7 secondi 1 interazione protone-protone ogni 10-9 secondi Collisione tra quark o gluoni 1 particella nuova prodotta ogni 10-5 secondi

28. Quanta energia ? • Collisionediprotoni: interazionefrapartoni (q, g) • I partonicheinteragisconoportano solo unafrazionexdell’energiatotale del protone: • Abbiamobisogno di collisioni di protoni a ~6TeVper raggiungere 1 TeV • Vantaggio: scan di un ampissimo range di energia • LHC: Collisore di protoni da 14 TeV (7 TeV per fascio) • p = 0.3B R illimite è ilcampo magneticonecessarioper curvare p+su traiettoriacircolare di 27 km • 1232 dipolisuperconduttori (-271), 8.3 T • ~9300 mageti in tutto • Energiaimmagazzinata: ~10 GJ quark quark p+ P+ E<1/3(E(p)+E(p))

29. Il campo magnetico • Il campo magneticocurva le particellecariche: • La forza di Lorentz • Un campo magneticopermette di: • - determinare la carica di unaparticella, • - dato R ilraggio di curvaturaed m, • determini p (ilmomento) • - o notoilmomentodetermini la massa

30. Quanteinterazionifacciamo? Sezionid’urtos (a 14 TeV): La sezioned’urto e’ la probabilita’ che avvenga un certoevento, date le condizioniiniziali Totale HF Processimolto rari QCD Jets 12 ordinidigrandezza Numerodip neifasci SM Frequenza dicollisione Superficie in cui collidono Higgs • Si cerca la massimaluminosità (L) possibile Jet ET or 125

31. Event rate • Rate di collisioni: 40 (20) MHz • ovveroogni 50 (25) ns • Dimensioneeventi~1 Mbyte • Impossibilesalvarlitutti! • Band width limit ~ 100 Gbyte/s TRIGGER: Selezione in tempo reale • Per ridurre rate a ~100 Hz per scrittura • A tuttiglieffettiun’analisidifisicadeglieventi Analisi off-line: ulterioreselezionedi 1 eventointeressanteogni ~106 Event rate ON-line HLT output OFF-line

32. Eventi • Le particelle “interessanti” decadonoistantaneamente • Dobbiamocercareiloroprodottididecadimento • Spesso in un fondo (“background”) dieventisimiliprodotti per es. daprocessigiànoti Esempio: risonanzenellospettrom+m- in collisionipp m+ p p m-

33. Produzione e decadimentidel bosone di Higgs • Il bosone di Higgs puo’ essereprodottonellafusione di 2 deigluonichesonoall’interno del protone: • Il bosone di Higgs non e’unaparticella stabile • Decade in particelleelementaripiu’leggere • Gli“statifinali”sonomolteplici; ipiu’importantisono: • Hduefotoni (Hγγ) • H quattroleptoni, per esempioquattroelettroni o quattromuoni (H4l)

34. Produzione e decadimentidel bosone di Higgs • La produzione e gli“statifinali”sonoprevisti con accuratezzadallateoria • La teoria non fornisceprevisionesullamassa del bosone di Higgs • Il bosone di Higgs, come tutte le particelleinstabili, viene • “ricostruito”partendodaiprodottiche ci aspettiamo dal suo • decadimento • Neirivelatoridobbiamodunquepoterricostruireiprodotti di decadimento • e con unaprecisionetale (sulmomento) da poterlidistingueredaglialtrieventi non interessanti, e dominanti.

35. Decadimento di unaparticella di massa 125 GeV Questa e’ una simulazione

36. Decadimento di unaparticella di massa 125 GeV Questa e’ una simulazione

37. Il fondo Massa di 2 fotoninon associatial decadimento di unaparticella Questa e’ una simulazione

38. Fondo e Segnale Questa e’ una simulazione

39. Fondo e Segnale Questa e’ una simulazione

40. Fondo e Segnale Questa e’ una simulazione

41. Higgs in 4 leptoni Evento simulato di produzione di Higgs Il protone è formato da quark e gluoni: 2 gluoni interagiscono e producono Higgs gli altri quark e gluoni interagiscono producendo molte particelle: pp H +X   + X L’evento e’ complesso perche’ lo stato iniziale e’ complesso: il protone e’ una particella composta da particelle elementari che interagiscono tra loro. Nello stato finale avremo centinaia di particelle prodotte + (forse!) quella di interesse.

42. Higgs in 4 leptoni • Uno deipossibilimodi in cui l’Higgs puo’decadere e’ in due bosoni Z che poi a loro • voltadecadono in 4 muoni. • Selezionandoglieventichehannoalmeno 4 muoni di alto momento • siricostruisce la massadellaparticellaeventualeche e’decadutanei 4 muoni: • Dove p sonoi“quadri-momenti”dei 4 muoniselezionati. • M(H) alta, imomenti • delleparticellesonoalti • Le tracciesonodiritte • p = 0.3B R Avremo - se esiste - ilpicco del segnale e altrieventi di “fisica nota / Modello Standard” chesidistribuiscono a varivalori di M(4-muoni)

43. Alto momentotrasverso • Particelle di alto momentotrasversoprovengono da particelle di altamassa: • Un oggettopesanteche decade produrra’ delleparticelle con un pTdell’ordine di M/2 • M(Z) = 90 GeV, M(W) = 80 GeV, M(H) = 125 GeV

44. Esercizio 18 collisionipp sovrapposte a H  4 muoni Trova 4 traccie dritte