25 anni verso la nuova fisica
Marcello A. Giorgi
Università di Pisa & INFN Pisa
19 Settembre , 2013
La Prima Volta !
Franco ci ha convocato e tutto e’ nato al castello Aragonese di
Otranto con una riunione dei coordinatori dei dottorati in
Fisica
La Prima Volta !
L’idea lanciata allora e’ un seminario per dottorandi in fisica di varie
provenienze geografiche e culturali.
Fino ad allora c’erano state scuole tematiche o settimane di studio itineranti
spesso sostenute direttamente dall’INFN come la scuola di fenomenologia
oppure le settimane di studio per borsisti INFN( quasi un sostituto dei
dottorati).
Nesssuna di queste iniziative e’ stata duratura.
Personalmente all’inizio ero perplesso sul futuro della iniziativa salentina.
Mi legava pero’ a Franco amicizia e stima reciproca lavoravamo insieme in
ALEPH e questo era sufficiente.
Franco con il gruppo barese era impegnato nel calorimetro adronico e nel
riconoscimento dei muoni insieme a Gabriella Catanesi, Mauro De Palma,
Giorgio Maggi, Sergio Natali, Salvatore Nuzzo, Antonio Ranieri, Federico
Ruggieri, Pino Zito.
Io impegnato nel rivelatore di vertice insieme a Giovanni Batignani, Luciano
Bosisio, Massimo Carpinelli, Ettore Focardi, Francesco Forti, Giuliana
Rizzo, Guido Tonelli , Giuseppe Triggiani.
La Prima Volta !
Era anche la prima volta
che venivo nel Salento .
E poi ho scoperto tante
cose incluso la purea di
fave e non solo…
La Prima Volta !
Era anche la prima volta
che venivo nel Salento .
E poi ho scoperto tante
cose incluso la purea di
fave e non solo…
..anche l’albero della
vita e poi…
La Serra degli Alimini
e l’idea di tenere gli studenti tutti insieme per
tutto il tempo in una full immersion anche…
…in mare
mi era parsa eccellente e simile all’idea che
aveva convinto noi pisani a..
scegliere La Biodola all’isola d’Elba
per la nostra serie di conferenze e per
workshops dedicati
Ma come verso la nuova fisica ?
Il mio modesto contributo poche slides dalle mie ultime
tre partecipazioni 2001 2006, 2011.
Le mie partecipazioni
Gli argomenti dei seminari erano basati sulle esperienze dirette di lavoro dgli
speakers. Nel mio caso:
•fisica di precisione,
•esperimenti e+ e-,
•test di SM,
•esplorazione BSM.
Dopo Aleph la violazione di CP nei B,
la verifica del paradigma CKM.,
sfida allo SM con misure su canali rari
Mixing D0 e limiti a LFV nel decadimento dei tau
Nuove idee per il futuro.
Le mie lezioni sono state comunque lezioni di fisica delle particelle .
E cosi’….
OUTLINE (2001)
• Simmetrie discrete
•
•
•
•
Mixing
K neutri
B
sin2b
• P,T,C
Cenni di simmetrie discrete
• P parity
[qi , p j ]  [qi , p j ]
tt


r  r


p  p
 
LL
ihdij


P r- r 
P
ihdij
  , P2=1
r
r
2
P ha autovalori +1 e -1,è Unitario ed Hermitiano
Otranto Settembre 2001
Marcello A. Giorgi
11
Decadimenti di KL e KS
KS
: Br in pp è >99.99%
KL
: Br in 3p è 33.68%,BR in plnl è 65.95%
Il decadimento del Ksin pp sembrava indicare che esso è autostato puro di CP
essendolo lo stato finale
.
Analogamente il decadimento in 3 p del KL sembrava indicare che esso è
autostato puro di CP all’autovalore opposto.
Il modo più semplice di scrivere i 2 autostati di CP è pertanto il
seguente:
| K 0  | K 0 
| K 0  | K 0  e
|K 
| Ks  
Otranto Settembre 2001
L
2
Marcello A. Giorgi
2
12
Mixing del flavour
Dalla meccanica classica viene l’esempio più semplice di oscillazione di un
sistema con 2 modi.
Esercizio:
x
l
m
l
k
m
2 pendoli di massa m
e lunghezza l sono
accoppiati da una
molla di costante
elastica k e lunghezza
di riposo x.
Si studino i 2 modi e la frequenza di mixing
Otranto Settembre 2001
Marcello A. Giorgi
13
Esistono autostati della matrice di massa?
Autostati di

H    M  i 

2
cioè H  | xi    i | xi  ? con | xi   ai | x0   bi | x 0 
Sì! Con
[
 1  H 11  H 12 H 21
 2  H 22  H 12 H 21
a1
p a2
p

e

QUINDI
b1
q
b2
q
Otranto Settembre 2001
]
| x1, 2  
Marcello A. Giorgi
e se chiamo
1
| p| |q|
2
2
p | x
0
p
H 12
q
H 21
  q | x0 

14
MIXING &REGENERATION
Strong interaction is strangeness conserving
And Hyperon production xsections are i.e.:


 __

  K 0 p    x    K 0 p    x 




Pais&Piccioni 1956
Serra degli Alimini, 21-27
Settembre 2006
Marcello A. Giorgi
15
A new regeneration mechanism in
1963?? M.S.Sozzi Varenna05
Serra degli Alimini, 21-27
Settembre 2006
Marcello A. Giorgi
16
Se vale CP
| x  
1
2
p=q
| x  | x  
0
1
| x  
0
2
| x  | x  
0
0
| KL 
| KS 
Sono autostati di CP ed inoltre
1

 M 11  i 11  pq
2
2


 2  m2  i 2  M 22  i 22  pq
2
2
 1  m1  i
Otranto Settembre 2001
m1  M 11  Re pq
1  11  2 Im pq
m2  M 22  Re pq
2  22  2 Im pq
Marcello A. Giorgi
17
Sistema dei K neutri


Nel caso dei K 0 , K 0 gli stati in oggetto sono
K S , K L 
  S e m  3.510  0.018  10 12 MeV
La violazione è legata a
Definiamo
Otranto Settembre 2001
K
pq
pq
q 1 K

e

pq
p 1 K
Marcello A. Giorgi
18
Outline of lectures (2006)
Historical
touch and
motivation
•
•
•
•
•
Discrete symmetries
Need for CPV
CPV in K sector
CKM model
Discovery of CPV in B sector
BaBar achievements
Not only CP
Towards the Future
Serra degli Alimini, 21-27
Settembre 2006
Marcello A. Giorgi
19
A new proposal at BNL!!
Serra degli Alimini, 21-27
Settembre 2006
Marcello A. Giorgi
20
The glorious experiment
LOI J.Cronin,V.Fitch,R.Turlay april ’63
40 DAYS FOR CP
VIOLATION
Serra degli Alimini, 21-27
Settembre 2006
Approval at Brookhaven
may ’63
Detector ready
june ’63
40 days of rnns starts
Marcello A. Giorgi
end July ‘63
21
Experimental apparatus what new?
SPARK CHAMBERS !
Serra degli Alimini, 21-27
Settembre 2006
What are They?
Marcello A. Giorgi
22
Serra degli Alimini, 21-27
Settembre 2006
Marcello A. Giorgi
23
•
•
•
•
•
It is CPV
Reject other possibilities:
Anomalous regeneration
Failure of Quantum Mechanics
p misidentifcation
3-body something missing
BUT
Invariant mass of Kaon
p evidence
Independent of production
..e nel settore dei B???
Serra degli Alimini, 21-27
Settembre 2006
Marcello A. Giorgi
24
..e nei B?
3 ways to CP violation
CP, f / f 
Af Af  1


 i  f  i  f  Af Af
 22
 i  f  i  f  A A 11
f f
CP , f / f 
CPV in decay:
CPV in mixing:
q p 1
 SL t  


d dt P




 i  f  i  f 
 i  f  i  f 


X   d dt P

X
0
0
d dt Pphys
 l  X  d dt Pphys
 lX
 l
0
phys
1 q p
4
1 q p
4
 l
0
phys
CPV in the interference decay-mixing:
m f   0
q Af
f 
p Af
Serra degli Alimini, 21-27
Settembre 2006
For example: decays to CP eigenstates
 fCP

t  
d dt P
f CP


 d dt P
0
0
d dt Pphys
 f CP  d dt Pphys
 f CP
0
phys
Marcello A. Giorgi
 f CP
0
phys
 f CP


26
Observables: “direct” CP asymmetry
A1 = |A1|
i
A1 = |A1|
f
i
CP
A2 = |A2| ei ei
A2 = |A2| ei ei
   (CP-conserving)
   (CP-violating)
f
CP , f / f




 i  f  i  f 

 sinΦ sinδ
 i  f  i  f 
Time-integrated “direct” CP asymmetry requires two amplitudes and :

+
A = A1+ A2
-
A = A1+ A2  A

Serra degli Alimini, 21-27
Settembre 2006

Marcello A. Giorgi
ACP
27
B0
Observables time-dependent CP asymmetry
Af
Af
B0
fCP
fCP
CP
q p
B0
p q
Af

 
B0
0
0
t   fCP   Bphys
t   fCP
  Bphys
Af

Interference between mixing and decay to a CP eigenstate.
Flavor-tagged time-dependent decay rates are different!
they are governed by the “CP parameter”:
1 | fCP | 2
q A f CP
 f CP   f CP
CfCP 
1 | fCP | 2
p A f CP
2Im fCP
Amplitude
S

CP
i2
fCP
2
e
1

|

|
f
ratio
CP
eigenvalue
from mixing
For single
decay
amplitude
0
  Im fCP
Asymmetry
AfCP ( t )  CfCP cos( md t )  SfCP sin( md t )
Serra degli Alimini, 21-27
Settembre 2006
Marcello A. Giorgi
28
CP in Standard Model
Vud
V   Vcd
V
 td
1 2

1




2
Vus Vub  
1
Vcs Vcb   

1  2

2

Vts Vtb   3
2
 A (1    i )  A

CKM quark mixing
matrix
Unitarity

CP Violating phase
A 3 (   i ) 

2
  O ( 4 )
A


1


CKM
B0 Mixing
B() 
buln
B(p) ln
bcln
BD(*)ln
Serra degli Alimini, 21-27
Settembre 2006
Marcello A. Giorgi
29
Representing unitarity relations as Unitarity Triangles
The unitarity condition of CKM matrix
VV+=V+V=1 gives 6 relations between the
matrix elements as :
VudV*ub + VcdV*cb + VtdV*tb =0
(in this relation the 3 terms have the same
order of magnitude ~O(3) and it can be
graphically represented in a complex plane as
a triangle with sides of comparable length.
Other relations have terms of different
order of magnitudes. E.g.:
VusV*ub + VcsV*cb + VtsV*tb =0
O(4)
O(2)
O(2)
Overconstrain a and the 4 parameters of CKM , A
Serra degli Alimini, 21-27
Settembre 2006
Marcello A. Giorgi
30
Experimental ingredients for time dependent CP asymmetries measurement of beta, alpha
and gamma
Asymmetry
AfCP ( t )  CfCP cos( md t )  SfCP sin( md t )
z
(4S) = 0.55
  4s 
e
-
Flavor
Tagging

m
Btag

K
Tag vertex
reconstruction
e+

B0
m
Brec
B0
K
Coherent BB pair
z 1
t 
 c
Start the Clock
Serra degli Alimini, 25-26
Settembre 2011

m
0
s
p
z
Marcello A. Giorgi
J/Y
p
Exclusive B Meson and Vertex
Reconstruction
31
INGREDIENTI PER CP
with time Dependent analysis
Misura dei tempi di decadimento. Cioe’ misura
precisa dei vertici di decadimento
Digression:
Use of precise Silicon detectors
in Flavour experiments.
Serra degli Alimini, 25-26
Settembre 2011
Marcello A. Giorgi
33
Serra degli Alimini, 25-26
Settembre 2011
Marcello A. Giorgi
34
Schema di rivelatore al Silicio
-V
SiO2
Contatto Al
p
+ + + + -
n
n  type
 5k  cm
300mm
Contatto Al
SiO2
Serra degli Alimini, 25-26
Settembre 2011
0
Marcello A. Giorgi
35
Primi rivelatori a strip
L’uso dei primi rivelatori a silicio e’ stato il trigger per lo sviluppo
di rivelatori a strip
Serra degli Alimini, 25-26
Settembre 2011
Marcello A. Giorgi
36
Primi rivelatori a strip
L’uso dei primi rivelatori a silicio e’ stato il trigger per lo sviluppo
di rivelatori a strip
Serra degli Alimini, 25-26
Settembre 2011
Marcello A. Giorgi
37
Primi rivelatori a strip
L’uso dei primi rivelatori a silicio e’ stato il trigger per lo sviluppo
di rivelatori a strip
..
…..
…..
(M.A.G/. Proc. Miniaturization of High Energy
Physics Detectors 1980-. Plenum Press)
Serra degli Alimini, 25-26
Settembre 2011
Marcello A. Giorgi
38
Primi rivelatori a strip
L’uso dei primi rivelatori a silicio e’ stato il trigger per lo sviluppo di rivelatori a
strip. Primo rivelatore a strip a barriera di superficie con divisione di carica.
..
…..
First Pisa meeeting on
advanced Detectors (Elba
series)
…..
(M.A.G/. Proc. Miniaturization of High Energy
Physics Detectors 1980-. Plenum Press)
Serra degli Alimini, 25-26
Settembre 2011
Marcello A. Giorgi
39
Schema rivelatore a strip
Serra degli Alimini, 25-26
Settembre 2011
Marcello A. Giorgi
40
Dal telescopio NA1 alla strip target

E
Silicon telescope 300mm pitch
Serra degli Alimini, 25-26
Settembre 2011
Marcello A. Giorgi
41
Dal telescopio alla strip target
Ma perche’ non eliminare gli
spazi inutili?

E
Silicon telescope 300mm pitch
Serra degli Alimini, 25-26
Settembre 2011
Marcello A. Giorgi
42
Dal telescopio alla strip target
Ma perche’ non eliminare gli
spazi inutili?

E
Silicon telescope 300mm pitch
Serra degli Alimini, 25-26
Settembre 2011
Marcello A. Giorgi
43
Dal telescopio alla strip target
Ma perche’ non eliminare gli
spazi inutili?

E
Silicon telescope 300mm pitch

E
Serra degli Alimini, 25-26
Settembre 2011
Marcello A. Giorgi
44
Dal telescopio alla strip target
Ma perche’ non eliminare gli
spazi inutili?

E
Silicon telescope 300mm pitch

E
BUT….
C’e’ bisogno di un materiale a piu
alta densita’ Ge
Serra degli Alimini, 25-26
Settembre 2011
Marcello A. Giorgi
45
Dal telescopio alla strip target
Ma perche’ non eliminare gli
spazi inutili?

E
Silicon telescope 300mm pitch

E
Monolithic Ge Detector strip 25 mm
(50 mm pitch)
Serra degli Alimini, 25-26
Settembre 2011
Marcello A. Giorgi
BUT….
C’e’ bisogno di un materiale a piu
alta densita’ Ge
46
(1982) NA1 una migliore misura della
vita media del charm
Serra degli Alimini, 25-26
Settembre 2011
Marcello A. Giorgi
47
In vista di LEP
SLD -SLAC
Rivelatori a doppia faccia !!
Serra degli Alimini, 25-26
Settembre 2011
Marcello A. Giorgi
48
ALEPH
Serra degli Alimini, 25-26
Settembre 2011
Marcello A. Giorgi
49
ALPEH – VDET (the upgrade)
–
–
–
–
2 silicon layers, 40cm long, inner radius 6.3cm, outer radius 11cm
300mm Silicon wafers giving thickness of only 0.015X0
S/N rF = 28:1; z = 17:1
r = 12mm; z = 14mm
Serra degli Alimini, 25-26
Settembre 2011
Marcello A. Giorgi
50
Ma anche al Tevatron CDF
Serra degli Alimini, 25-26
Settembre 2011
Marcello A. Giorgi
51
LEP: Aleph started the game first,
immediately followed by the others
1986-2000
ALEPH
VDETII
OPAL
μVTX3
K.Österberg, Performance of the vertex detectors at LEP2, NIM A435 (1999)
DELPHI
Si Tracker
L3
SMD
Rivelatori a doppia faccia
•
•
•
•
Si raccolgono sia buche che elettroni
Minor materiale a parita’ di informazioni
Maggiore complessita’ tecnica
Maggior costo
• Non basta suddividere l’elettrodo sul lato posteriore a causa
dell’accumulo di carica superficiale
• Soluzione sviluppata a Pisa (’86):
- -- - - - - - - -
n+
n+
strip p+ per interrompere lo strato di
accumulazione di e- che
cortocircuiterebbe tutte le strip n+
+++++++++
p-stops
Serra degli Alimini, 25-26
Settembre 2011
Marcello A. Giorgi
53
Trackers for the B-factories:
the BaBar Silicon Vertex Tracker
PEP-II & BaBar
11 Countries, 80 Institutions, 623 Physicists
Lmax = 1.12 X 1033 cm–2s–1
 Ldt = 371 fb–
1@{Υ(4S)+off(~10%)}
• (>3.7x108 B events)
•
Charged tracking/vertexing
• 5-layer DSSD Si µstrip
• 40 layers (He-isobutane)
Hadron identification
• tracker: dE/dx
• DIRC imaging Cerenkov
Electron/photon
• CsI calorimeter
Muon/KL
• Instrumented flux return
Serra degli Alimini, 25-26
Settembre 2011
Marcello A. Giorgi
55
8 x 3.5 GeV
22 mrad crossing angle
SCC RF(HER)
ARES(LER)
KEKB & Belle
13 countries,
57 institutes,
~400 collaborators
Belle detector
Ares RF
cavity
e+ source
8GeV (e)  3.5GeV (e+)
peak luminosity:
1.651034cm2s1
since 1999
Serra degli Alimini, 25-26
Settembre 2011
Marcello A. Giorgi
56
Summer 2011
Triumph of CKM from LHCb data
Good agreement no evident discrepancyor “tension” , even with
different statistical analysis
T.Gershon @LP11
Serra degli Alimini 26/9/2011
M.A.Giorgi
57
Triumph of SM . How BSM?
Precision investigation of Higgs boson
e+ e- Higgs Factory? Hopefully.
Precision measurements in accelerator and non
accelerator experiments:
CPV in b and c
LFV in m and t
Dark Matter search
Dark Energy search
Still flavor experiments at high luminosity
How BSM?
Need for high luminosity experiments
Need for precise detectors ( precision
trackers, efficient PID) more precise than
the present detectors as silicon.