La strada che porta ad un collider
lineare e+eMarcello Piccolo
Catania 9/2002
Agenda
• Un rapido excursus della fisica di un
collisionatore lineare a 500 GeV c.m..
• Il progetto di un apparato sperimentale.
• Scale dei tempi e scenari
• Impegni dei ricercatori INFN
• Richieste finanziarie
Problemi aperti in HEP
• La simmetria SU(2)xU(1) deve essere rotta ad un
valore di v=250 GeV per spiegare mZ ed mW
• Che cosa e’ che la rompe ?
• Perche’ si rompe ?
• Perche’ 250 GeV (<< MPl) ?
– Stabilita’
– Origine
• Come nascono le masse dei fermioni?
L’ Higgs e’ probabilmente
“dietro l’angolo”
• Tutti i dati raccolti
fino ad ora, sensibili
ad effetti quantici dell’
Higgs indicano :
mH<196GeV (95%CL)
(LEPEWWG Winter 2002)
• Il Tevatron a
Fermilab, ha buone
possibilita’ di scoprire
l’Higgs entro il 2008
L’Higgs a LHC
• LHC scoprira’ uno
Standard Model Higgs di
qualunque massa entro 3
anni ! (2011?)
• E’ sufficiente la scoperta ?
Non credo .
• Supponiamo di scoprire
Hgg , e di vedere poi
come cross check lo stato
finale ttH.
• Technipion? Scalare or
pseudo-scalare? Si
accoppia con W/Z?
Legittime domande
• Abbiamo veramente scoperto il bosone di Higgs ?
– E’ la particella che genera la massa ?
– Ha lo spin e la parita’ corretti 0+?
– E’ effettivamente il condensato che riempie l’Universo ?
• Per provare che e’ l’ “Origine della Massa”
–
–
–
–
Spin/Parita’
Accoppiamenti
Vacuum expectation value
Branching Ratios
Higgs Boson at LC
• Distributioni angolari in
e+e–ZX dipendono dal
tipo di X=h, A, V
E’ un bosone 0+?
Higgs Boson at LC
• Branching Fractions
comprovano la relazione
accoppiamenti  massa
 Prova che il Bosone
di Higgs e’ la
“Origine della Massa”
(Battaglia)
Higgs Boson at LC
• Stato finale ZH
• ALR prova che viene
da uno s-channel Zexchange
Higgs Boson at LC
• Stato finale ZH
• ALR prova che viene
da uno s-channel Zexchange
• Se Z:gauge boson, H:
scalar boson  solo
due vertici possibili
Higgs Boson at LC
• Stato finale ZH
• ALR prova che viene
da uno s-channel Zexchange
• Se Z:gauge boson, H:
scalar boson  solo
due vertici possibili
• C’e’ bisogno di un
VEV per avere un
vertice ZZH.
Higgs Boson at LC
• Stato finale ZH
• ALR prova che viene
da uno s-channel Zexchange
• Se Z:gauge boson, H:
scalar boson  solo
due vertici possibili
• C’e’ bisogno di un
VEV per avere un
vertice ZZH.  prova
che e’ responsabile di
mZ
HM, LBNL-38891
Post-Higgs Problem
• Abbiamo visto “che cosa ” e’ condensato
• Ma non sappiamo ancora “ perche’ ”
• Due domande :
– Perche’ abbiamo un condensato
– Perche’ la scala di condensazione ~TeV<<MPl
• La spiegazione e’ probabilmente alla scala
L~TeV in quanto la self-energy dell’Higgs
dmH2~L2
Almeno tre direzioni possibili
• La storia si ripete
– Crisi con l’elettrone ….introduzione dell’antimateria
– Raddoppio del # particelle  supersymmetry
• Se si usa il meccanissmo delle Cooper pairs
– Cooper pairs: composto fatto con due elettroni
– Higgs potrebbe essere un composto di coppie
fermioniche
 technicolor
• La Fisica finisce al TeV
– Scala ultimativa: quantum gravity
– Si potrebbero avere effetti gravitazionale ~TeV
 hidden dimensions
Difficile differenziare modelli
• Pseudo-Nambu-Goldstone bosons in technicolor
• Universal Extra Dimensions (Cheng, Matchev, Schmaltz)
– Lightest Kaluza-Klein states ~ LSP
• Se i modelli sono ben definiti con pochi parametri,
LHC puo’ escludere molte interpretazioni…
• …Ma conoscendo il campo dei teorici:
– Nuove interpretazioni spunteranno come funghi
– Gli sperimentali avranno il loro da fare ad escluderle.
 Lunghissimo processo di eliminazione
• Informazioni dettagliate CRUCIALI
Supersymmetria al LC
• Scoperta al Tevatron o
piu’ verosimilmente a
LHC.
• Da provare : che siano
effettivamente
superpartners
– Spins differisce di 1/2
– Gli stessi numeri quantici
SU(3)SU(2)U(1)
– Accoppiamenti
supersmmetrici
Spin 0?
E non finisce qui….
• Non ho tempo per discutere :
–
–
–
–
Fisica del TOP
Accoppiamenti Yukawa
Opzione gg
Giga Z
• Se capitera’ accennero’ durante la
discussione del rivelatore.
Ora il rivelatore
• Di solito si dice:
– Un rivelatore tipo LEP con una lucidatina per togliere la
polvere va piu’ che bene per la nuova macchina.
• ASSOLUTAMENTE SBAGLIATO:
– Proprio perche’ l’ambiente e+ e- e’ cosi’ pulito , vale la
pena disegnare un rivelatore che abbia capacita’
sperimentali molto piu’ spinte.
• Queste caratteristiche si riflettono in un aumento
equivalente di luminosita’ efficace… e tutti sanno
che la luminosita’ e quella cosa di cui non c’e’ mai
abbastanza alle macchine leptoniche..
Qualche esempio (il VXD)
• La geometria cilindrica porta naturalmente ad
accumulare materiale nelle endcaps:
– Estremamente importante tenere basso il # di X0
• obiettivo: spessore/strato ~ 0.1-0.2% X0
– SLD spessori 0.4% X0
• Soluzioni possibili :
– Rivelatori sottili stirati (ie. supportati via tensione)
• Stirare una membrana e’ piu’ difficile rispetto a un filo
– Incollare il rivelatore su un supporto stirato
• Complicazioni di incollaggio
– Incollare rivelatore su un supporto rigido
Disegno concettuale del tracker
centrale
• Richieste generali:
– Risoluzione in momento eccellente
d  p 1   5 105 GeV -1
full tracking system
• Massa mancante ai dileptoni per eventi ZH
• Misura dell’endpoint nelle catene di decadimento SUSY
– Pattern recognition eccellente, risoluzione tracciatraccia al meglio
• Spread di momento grosso, jets densi
– Resistente ad alti fondi macchina
Central tracker concepts
Pattern recognition: gas vs. Si
• L’occhio tende a preferire la figure a sinistra, anche se i
punti di destra sono molto piu’ precisi
– 5 strati sono sufficienti per una pattern recognition
efficiente?
“gas”
Si
Calorimeter concepts
Richieste di risoluzione in massa
per i jets
• Obiettivo : disinguere W and Z nei modi
 
 
e
e

WW


,
e
e  ZZ
adronici
– richesta: risoluzione per Ej
 E  30% E
esempio:
60% E
30% E
Uno studio dettagliato della misura dell’autoaccoppiamento mostra
che passare dal 60% al 30% nel termine stocastico e’ equivalente ad
un 40% di aumento in luminosita’
L’algoritmo dell’energy flow
• Se non e’ possibile effettuare fits cinematici,
l’algoritmo dell’energy flow fornisce la
migliore risoluzione energetica :
– Si usa il tracciatore per misurare l’energia dei carichi
(65% della energia del jet)
– Calorimetro EM per fotoni (25%)
– Calorimetri EM and Had per adroni neutri (10%)
E jet  Echarged  Ephotons  Eneut.had.

2
Ejet

2
Echarged

2
Ephotons

2
Eneut.had.

2
confusion
L’algoritmo dell’energy flow
E jet  Echarged  Ephotons  Eneut.had.
2
 E2jet   E2charged   E2photons   E2neut.had.   confusion
• Ignorando il termine di tracking ( piccolo):
2
2
 E2jet  0.142 E jet  GeV    confusion
 0.3 E jet  GeV 
2
 confusion
–
e’ il contributo piu’ grande
Moliere radius (Iron vs.
Tungsten)
Iron
Tungsten
(many images courtesy H.Videau)
Attivita’ di R&D connesse con
TESLA
• 3 programmi sui rivelatori di vertice
– U.K., France, Germany.
• 1 programma basato su gas tracking,
– In collaborazione anche con gruppi U.S.
• 2 programmi di Calorimetria
– Calice, LCcal
• 1 programma dedicato a camere a piatti piani
– Possibile uso nell’ had-cal and muon-det..
LCcal
Simulazione per m-id:
eventi ZH @500 GeV
I quattro spettri si
riferiscono:
Nero
:Particelle primarie
generate
Rosso :m generati
Green :m identificati
Blu
:p misidentificati
Calice
• Obiettivo : Costruire un prototipo
calorimetrico di 1 m3 quanto piu’ possibile
vicino al calorimetro reale.
• La collaborazione ha collaboratori Europei
ed Americani
– Ultimamente ha anche attraversato il Pacifico.
• Richieste fondi previste quest’anno
INTERNATIONAL LINEAR COLLIDER
STEERING COMMITTEE
ICFA forms ILCSC on July 30, 2002
Three year mandate for promoting the LC as an
international initiative
First meeting July 30, 2002
agreed on membership
began process for review of needed facility capabilities
heard about recent international steps and proposed
steps
* Next meeting in CERN, October 8 2002
(at ICFA seminar)
Overarching Statement
The primary role of the Steering Committee is to promote
the construction of an Electron -Positron Linear Collider
through world-wide collaboration. In so doing the Committee
will give particular attention to Outreach, Science, Technology
and Organization of the LC project.
The Steering Committee will report to ICFA.
Mandate of the ILCSC
The ILCSC will:
1.
Engage in outreach, explaining the intrinsic scientific and technological
importance of the project to the scientific community at large, to industry, to
government officials and politicians and to the general public.
2.
Based upon the extensive work already done in the three regions, engage
in defining the scientific roadmap, the scope and primary parameters for machine and
detector. It is particularly important that the initial energy, the initial operations
scenario and the goals for upgradability be properly assessed.
3.
Monitor the machine R&D activities and make recommendations on the
coordination and sharing of R&D tasks as appropriate. Although the accelerator
technology choice may well be determined by the host country, the ILCSC should
help facilitate this choice to the largest degree possible.
4.
Identify models of the organizational structure, based on international
partnerships, adequate for constructing the LC facility. In addition, the ILCSC
should make recommendations regarding the role of the host country in the
construction and operation of the facility.
5.
Carry out such other tasks as may be approved or directed by ICFA.
Membership
Category
Current incumbent
Directors
KEK
SLAC
DESY
CERN
FNAL
LC Steering Group Chairs
Asian
European
N. American
Other
Chair
China (IHEP Director)
Russia (BINP Director)
ICFA outside LC regions
Asia Rep.*
H. Sugawara
J. Dorfan
A. Wagner
L. Maiani
M. Witherell
To be determined by ACFA
B. Foster
J. Dorfan
M. Tigner
Hs. Chen
A. Skrinsky
C. Garcia Canal to be invited
S. Komamiya – protem pending ACFA
selection
Europe Rep. *
D. Miller
N. American Rep.*
To be determined by DPF/DPB
* Physicist representatives from these regions to be nominated by ACFA, ECFA and the
DPF in consultation with the DPB, respectively
(need to involve Canada)
Proposed Subcommittees
a) Physics and Detectors
b) Outreach
c) Organisational Structures
d) Accelerators
“Item 2 of the ILCSC Mandate calls for an early consensus on
the scope of the facility in terms of physics capability. Thus it
seemed natural to think about a subcommittee that would aid this
function…. It has been suggested that the World Wide Physics and
Detector Study Group, now chaired jointly by S. Komomiya,
David Miller and Charlie Baltay, take a major role in this
subcommittee.”
.
Impegni e lavoro ricercatori
INFN
• Lccal e’ una iniziativa essenzialmente italiana coordinata
da Paolo Checchia. (INFN-PD,INFN-MI,INFN-TS,LNF)
• Paolo Checchia e’ stato co-chairman nell’organizzare le
sessioni di calorimetria in vari meeting Europei.
• M. Piccolo e’ convener del gruppo di studio dei m, coconvener del gruppo di studio di calorimetria e membro del
comitato organizzatore del “Linear collider Worldwide
Study Group” che con molta probabilita’ evolvera’ nel
sottocomitato Physics and detectors dell’ ILCSC.
• Una iniziatva di Gruppo V CAPIRE (INFN-MI, INFN-TO,
LNF) per studiare le caratteristiche di camere a piatti piani
e’ partita per valutare anche le possibilita’ di utilizzo per
rivelatore di m e calorimetria adronica.
Richieste finanziarie
• Tutto il lavoro di R&D fatto con fondi di Gr. V .
• Tradizionalmente fondi di partecipazione a .
conferenze workshops ottenuti dal Gr. I:
– Ogni anno : 3 meetings regionali, un meeting R&D ed
un paio di meetings operationali.
• Circa 15-20 persone lavorano attivamente nei
gruppi di studio e nelle attivita’ di R&D.
• Si richiedono, come lo scorso anno 40Keuro da
dividere sui fondi generali Gr. I di LNF e PD.