Stimando le masse delle particelle:
dal top, via bosone di Higgs, fino alla
supersimmetria
Un cammino condiviso con
Gianluigi
Una tendenza storica
dei fisici delle particelle …
• Quando incontriamo un mistero che non
possiamo risolvere con i modelli attuali
• Inventiamo una nuova particella, talvolta molte!
• Un primo esempio: Einstein ha proposto il fotone
per capire l’effetto fotoelettrico
Un esempio famosissimo
• La famosa lettera
aperta di Pauli
• Il nome ‘neutrino’
inventato da Fermi
• Il secondo neutrino
spiega perché
μ no  elettrone
• Torneremo più tardi
alle oscillazioni e alle masse dei neutrini
Altri esempi importanti
per il Modello Standard: i bosoni W, Z
• Intermediari dell’interazione debole
• Il W proposto da Yukawa
– Inizialmente identificato con il pione
– Poi ‘scoperto’ nel primo esperimento di neutrini al
CERN
• Perché questi errori?
• Perche i fisici non avevano una stima accurata
della massa, o non ci credevano.
• Ecco l’importanza di stimare bene le masse
delle nuove particelle!
Un esempio riuscito
• Il quark ‘charm’ postulato da Glashow,
Iliopoulos e Maiani
• La massa stimata bene da Gaillard e Lee
• Implica mu << mc << mW
• ΔmK implica mc ~ 1.5 GeV
Un esempio personale
• Il quark ‘bottom’ postulato nel 1975 per
accompagnare il leptone pesante ‘tau’
• La massa stimata nell’ ambito di una teoria della
grande unificazione delle interazioni
• Chanowitz, JE e Gaillard:
“Making the SU(5) model completely natural,
including in the Higgs sector, gives the
prediction md/me ~ ms/mμ ~ mb/mτ = 2605”
• Avevo scritto
a mano “2 to 5”!
Il quark ‘top’:
Una prima avventura con Gianluigi
•
•
•
•
Il quark ‘top’ postulato per accompagnare il quark bottom
Molte stime teoriche sbagliate durante gli anni 1970/80
Qual è il limite superiore sulla sua massa?
Una prima indicazione è venuta da uno studio delle correnti
neutre
• Costa, JE, GLF, Nanopoulos e Zwirner:
“In the minimal standard model with ρ = 1 and
equal Higgs and Z masses we find that mt < 168 GeV at
the 90% confidence level.”
• Il nostro primo lavoro
non è stato troppo male!
Il quark ‘top’:
Una stima raffinata con Gianluigi
• mt < 185 GeV
variando mc
• Indicazioni su sin2θW
• Commenti sulla
sensibilità a mH
Il quark ‘top’:
il ruolo della massa dello Z
• Una misura precisa della massa
dello Z darebbe una indicazione
importante della massa del top
Il quark ‘top’: dopo le prime misure di
mZ con alta precisione
• Accordo con i dati a basse energie implica
• Una prima discussione di mH
Il bosone di Higgs:
una seconda avventura con Gianluigi
• C’è bisogno di un bosone di Higgs (o qualcosa
di simile) per dare le masse alle altre particelle
• L’ ultima componente del Modello Standard
che ancora ci manca
• Le misure di alta precisione hanno poca
sensibilità a mH …
… ma danno una indicazione interessante
Alcune particelle hanno massa, altre no …
Da dove vengono queste
masse?
Newton:
Il peso è proporzionale alla massa
Einstein:
L’energia è equivalente alla massa
Ma non hanno spiegato la massa!
Le masse sono dovute al bosone di Higgs?
(una particella chiave …)
Come un campo di neve
Con gli sci si corre molto velocemente:
Come una particella senza massa
ad es., un fotone = particella della luce
Con le racchette da neve,
si va più lentamente:
come una particella con una massa
ad es., un elettrone
LHC cercherà
Con gli scarponi si affonda nella neve
il fiocco di neve:
e si va molto lentamente:
il bosone di Higgs come una particella con una grande massa
Stimando la massa del bosone di Higgs
• Le misure elettrodeboli sono sensibili alle correzioni
quantistiche:
• Però la sensibilità alla massa del top è molto
maggiore della sensibilità alla massa del bosone di
Higgs:
• Tuttavia le misure al LEP ci davano una indicazione
di un Higgs leggero ancora prima della scoperta del
top
Stimando la Massa del bosone di
Higgs
• Primi tentativi negli anni 1990, 1991:
• Molto difficile prima della scoperta del top
Stimando la Massa del bosone di
Higgs
• Dopo la scoperta del top:
• Solide indicazioni di un bosone di Higgs leggero
Il bosone di Higgs: lo stato attuale
• Il limite inferiore dal LEP:
mH > 114.4 GeV
• Secondo i dati elettrodeboli:
mH = 89+35–26 GeV
un limite superiore:
mH < 158 GeV, o 185 GeV
includendo il limite diretto
• Il limite dal Tevatron:
mH < 158 GeV or > 173 GeV
La ricerca del bosone di Higgs al Tevatron
Il Tevatron esclude un bosone di Higgs fra 158 & 173 GeV
Le prime ricerche ad LHC
Un contributo significativo al fit globale
Combinando le informazioni sulla massa
del bosone di Higgs
mH = 120+ 12-5 GeV
Una
stanza
Cosa c’è
senza
fuori della
finestre …
stanza?
… una porta
da aprire
Buchi neri
Buchi neri
Fisica oltre il Modello Standard?
• Un vuoto non stabile?
• Indicazioni contro un modello composito
• La supersimmetria?
La supersimmetrica e la materia oscura ?
• La supersimmetria associa
le particelle della materia 
alle particelle che trasportano le interazioni
• Può spiegare la scala delle masse delle particelle
• Può aiutare ad unificare le interazioni fondamentali
• La particella supersimmetrica più leggera sarebbe stabile e
con una massa inferiore a 1000 GeV
• Avrebbe una densità simile a quella della materia oscura
Da ricercare con gli esperimenti
La materia oscura nell’universo
Gli astrofisici ci
dicono che la
maggior parte della
materia nell’universo
è invisibile:
materia oscura
Particelle supersimmetriche?
Le cercheremo con
l’LHC
Indicazioni prima dell’LHC
Se il neutralino
fosse responsabile
della materia oscura
La materia ‘oscura’ avrebbe
una carica eletromagnetica
Vietata da b  s g
Indicazioni dalla densità
della materia oscura
Indicazioni (?) da g - 2
JE + Olive + Santoso + Spanos
Fit globale delle masse supersimmetriche
• Approccio statistico
• Dati utilizzati:
–
–
–
–
–
Misure elettrodeboli di alta precisione
Limite sperimentale sulla massa del bosone di Higgs
La densità della materia oscura
Dati sui decadimenti b  s g, Bs  +g - 2 (forse)
• Combinando le densità di probabilità
• Analizzando i modelli supersimmetrici più semplici
O.Buchmueller, JE et al: arXiv:0808.4128, 0907.5568, 0912.1036, 1011.6118, 1102.4585
Prima del’LHC
Stimando le masse delle
particelle supersimmetriche
O.Buchmueller, JE et al: arXiv:0808.4128
Il progetto LHC al CERN
Collisioni Protone-Protone
7 TeV + 7 TeV
1,000,000,000 di collisioni
ogni secondo
Obiettivi scientifici:
• L’origine della massa
• La materia oscura
• Il plasma primordiale
• L’ asimmetria fra materia ed antimateria
1 TeV = 1000 GeV
~ 1000 volte la massa
del protone
Visione d’insieme di LHC e dei suoi
esperimenti
100 m sotto terra
27 km di circonferenza
Un bosone di Higgs potrebbe apparire così
La materia oscura potrebbe apparire
così
Energia invisible portata via da
particelle di materia oscura
20 novembre 2009: contentissimi!
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Concentrazione, ansietà …
… attesa e trepidazione
Indicazioni dopo i dati LHC 2010
Se il neutralino
fosse
responsabile
della materia
oscura
CMS
CMS
MHT
ATLAS
ATLAS
Lepton
10 Lepton
La materia ‘oscura’ avrebbe
una carica eletromagnetica
Vietata da b  s gamma
Indicazioni dalla densità
della materia oscura
Indicata (?) da g - 2
Con i dati LHC 2010
Stimando le masse supersimmetriche
CMSSM
O.Buchmueller, JE et al: in preparation
Con i dati LHC 2010
Stimando la massa del gluino
CMSSM
O.Buchmueller, JE et al: in preparation
Con i dati LHC 2010
Il processo raro Bsμ+μ- ?
NUHM1
O.Buchmueller, JE et al: in preparation
Traiettoria dei fit
nel CMSSM
Come hanno evoluto
i fit supersimmetrici?
Qual’è l’evoluzione
possibile nel futuro?
Limiti attuali
Prima del’LHC
✚ Vecchi punti di riferimento
★ Fit prima del’LHC
Dopo LHC 2010
 Dopo LHC 2011?
Se non c’è
la supersimmetria
con 7/fb
Se non c’è
la supersimmetria
con 1 o 2/fb
Torniamo ai neutrini
• Il lavoro attuale di Gianluigi, Eligio ed amici
• Aspettiamo con entusiasmo una nuova generazione
di esperimenti
Conclusioni
• Impossibile!
• Stimare le masse delle particelle prima delle
loro scoperte è un lavoro senza fine
• È un complemento essenziale alle ricerche
sperimentali
• Aspettiamo con (im)pazienza le prossime
scoperte del’LHC
• Senza dubbio si aprirà un mondo nuovo!