Masterclass 2013 – Prima Parte
Stefano Marcellini – INFN Bologna
(Quasi) tutto quello che
c’e’ da sapere sulla
fisica delle particelle
elementari
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Le particelle fondamentali della natura hanno spin = ½
νe
e
νμ
μ
ντ
τ
u
d
c
s
t
b
3 famiglie
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Q= 0
LEPTONI
Q= -1
Q= +2/3
QUARK
Q= -1/3
…piu’ le corrispondenti
antiparticelle
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Le Interazioni fondamentali
• Tutti i fenomeni che conosciamo
1)
2)
3)
4)
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sono interpretabili mediante 4 forze, o
“interazioni” fondamentali.
Int. GRAVITAZIONALE
Int. ELETTROMAGNETICA
Int. DEBOLE
Int. FORTE (o nucleare, o “di colore”)
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Le interazioni avvengono mediante
scambio di particelle di spin intero
(1 o 2), che si chiamano
“portatori della forza”
Int. elettromagnetiche  fotoni
Int. deboli  particelle W+, W-, Z
Interazioni forti o di colore  gluoni
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Esempio: l’atomo
elettrone
Interazione
Elettromagnetica:
scambio di fotoni
nucleo
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+, W
-fotoni
Int.
Int.
Int.
Elettromagnetica:
forte:
debole:
8 tipi
Wdi
gluoni
, Zo
Int.
Gravitazionale:
Gravitoni
particella A
Interazione
carica-mediatore
Mediatore della forza,
Scambiato tra A e B
particella B
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Esempio: decadimento Beta
protone
neutrone
Quark d
Quark u
WLa particella W vive per
un tempo brevissimo: < 10-23 s.
E’ quindi assolutamente invisibile
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elettrone
anti-neutrino
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Due protoni vengono fatti urtare fra loro ad altissima
energia (accelerati da un acceleratore)
Cosa avviene concettualmente in un
urto tra particelle ?
Quello che succede nell’urto, avviene su scale spaziali
piccolissime,
piùdella
piccole
tanto maggiore
è l’energia
Lo studio dei tanto
prodotti
collisioni
ci da le informazioni
aper
cuicapire
avviene
l’urto.
cosa
è avvenuto nell’urto
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Lago Lemano
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Idealmente, per ogni interazione fra particelle prodotte in
un acceleratore, vorremmo disporre di un apparato in grado di:
•Misurare l’impulso e la direzione di tutte le particelle
prodotte
•Identificare tutte le particelle prodotte
•Misurare se sono state prodotte nel vertice di
interazione o altrove
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Un rivelatore di particelle idealmente deve
poter fare tutto questo.
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Particelle ad alto momento trasverso pt
Momento trasverso pt
Direzione del fascio di protoni incidente
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Particelle ad alto momento trasverso pt
Momento trasverso pt
Direzione del fascio di protoni incidente
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Stato finale tipico di LHC:
molte particelle di basso pt.
Stato finale molto piu’ raro a LHC:
molte particelle di basso pt, ma anche alcune
ad alto pt. Sono gli eventi “interessanti”
che bisogna selezionare.
Sono una frazione di molti
ordini di grandezza inferiore
CMS e ATLAS sono pensati per studiare
soprattuto questo tipo di eventi
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Informazioni utili per l’esercizio di oggi pomeriggio: la particella Zo
E’ responsabile delle interazioni deboli “neutre”
protone
protone
Quark u
Quark u
Zo
La Z ha una massa di circa 91 GeV:
circa 91 volte la massa del protone
La particella Z vive per
un tempo brevissimo: 10-25 s
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E’ quindi
assolutamente invisibile, ma…
Elettrone
muone
Anti – elettrone
Anti – muone
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La Zo vive pochissimo e poi decade trasformandosi in coppie di
particella-antiparticella.
(es: elettrone-antielettrone oppure muone-antimuone)
La misura della massa invariante di queste coppie contiene
il “ricordo” del fatto che esse sono state prodotte dal decadimento
della Z o di altre particelle.
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Perche’ non si osserva una massa ben precisa ?
Particella che “nasce e muore” in un tempo brevissimo:
si puo’ fare a patto che la sua massa (energia) sia indeterminata:
Principio di indeterminazione di Heisenberg: ΔE ·Δt > h
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Bosone di Higgs
Particella di spin zero (bosone) .
L’interazione delle particelle fondamentali con il campo di Higgs fa loro acquisire la massa
2 fotoni nello stato finale:
raro ma “abbastanza chiaro”
4 leptoni nello stato finale:
Fondo relativamente basso
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Bosone di Higgs: Massa = 125 GeV
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Esercizio di oggi pomeriggio:
Ricerca di eventi in cui e’ stata prodotta una particella Z nei suoi decadimenti
in coppie di elettroni o muoni
Piu’ in generale ricerca di eventi con coppie di elettroni o muoni, che possono
evidenziare la produzione di particelle particolari
Selezione di questo tipo di eventi rispetto agli eventi di fondo
Ricerca di eventi con una coppia di fotoni energetici. Sono eventi all’interno dei quali e’
ricercata l’esistenza del bosone di Higgs.
Ricerca di eventi con 4 elettroni, oppure 4 muoni, oppure 2 elettroni e 2 muoni.
Anche questi eventi sono utilizzati per cercare il bosone di Higgs.
NB. Solo pochi eventi in tutto !
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Eventi di decadimento della Z (per l’esercizio che farete oggi)
Stati finali con 2 elettroni
Energia trasversa mancante,
MET ~ 0
Stati finali con 2 muoni
NB. Cariche elettriche
sempre opposte !!!
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Perche’ “trasversa” ?
Momento trasverso pt
Direzione del fascio di protoni incidente
Gli impulsi dei due partoni iniziali
non sono uguali !!!
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Invece nel piano trasverso Pt = 0 prima,
e Pt = 0 dopo !!!
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Decadimento delle particelle W (fondo)
Stati finali con elettroni
Stati finali con muoni
N.B. i neutrini si manifestano come energia trasversa
mancante
(MET) nell’evento
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Z ‘ (Zeta primo)
In linea di principio e’ possiibile che esistano replica pesanti della Z
E’ cercata come la Z, in coppie di 2e oppure 2µ
Nei dati che analizzerete sono inseriti
alcuni eventi simulati di Z’.
Vediamo se li scoprirete e come
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