Masterclass 2011 – 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”)
3
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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Alcune caratteristiche dell’acceleratore
Lunghezza 26,7 Km
Velocita’ dei protoni : 99,9997828 % della velocita’ della luce
9300 magneti superconduttori, raffreddati a -271,3 gradi C = 1.9 K
Pressione all’interno del tubo dell’acceleratore 10-13 atm (1 decimo che sulla luna)
40 milioni di collisioni al secondo
Ogni esperimento di LHC riempira’ di dati l’equivalente di 20 milioni di DVD ogni anno
Costo : 6 miliardi di euro (pagato in circa 10 anni dagli stati membri del CERN su budget
normale, senza richiesta di sovvenzioni speciali)
Consumo energetico a pieno regime: 180 MWatt (meno di un decimo di tutto
il cantone di Ginevra), fornito dalla societa’ elettrica francese.
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LHC, pagato in 10 anni dall’intera comunita’ scientifica
internazionale, costa come:
Una settimana di guerra in Iraq
Un centesimo di quanto stanziato dagli USA per contrastare il
crack delle banche
Quanto viene speso al mondo in una settimana, per pubblicita’
Quattro bombardiari B-2
Meno di un centesimo della spesa militare mondiale annua
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1 anno di Formula 1 costa piu’ del piu’ costoso dei 4 esperimenti di LHC.
Toyota 2005: 500 M$
Costo Parlamento italiano Montecitorio 940 M€/anno
Molto più del budget annuo CERN (650 M€)
1 Km di alta velocità: 60-65 M€/km . TAV MI-TO 125 km – 7.8 G€
(più di tutto LHC !!!) (fonte: Il Sole 24 ore)
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LHC e’ costato ad ogni cittadino italiano:
1 euro e 20 centesimi l’anno, per 10 anni.
Per ogni euro speso dallo stato italiano per LHC, 1 euro e mezzo
e’ rientrato come commesse alle industrie italiane.
La ricerca scientifica e’ anche un ottimo ritorno economico !
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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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Struttura del protone
2 quark di tipo u: carica +2/3
1 quark di tipo d: carica -1/3
N gluoni: carica elettrica nulla (ma trasportano
la carica forte o di colore)
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Produzione di W ad LHC in urti fra 2 protoni (esercizio di oggi)
W+
W-
gluone + quark
66 %
gluone + gluone
34 %
N.B. nel primo caso il rapporto W+/W- dipende
dal contenuto di quark u e d del protone
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Decadimento delle particelle W
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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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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Eventi di fondo (per l’esercizio che farete oggi)
Stati finali con 2 elettroni
Stati finali con 2 muoni
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All’interno dei dati che analizzerete sono stati inseriti alcuni eventi simulati di
produzione e decadimento di Higgs:
Il bosone di Higgs e’ una particella prevista dalla teoria ma mai osservata prima
Serve a spiegare perche’ la materia ha massa.
Puo’ essere prodotta a LHC e poi decadere in questo modo:
Higgs
Fondo WW
Stati finali con
coppie W+W-
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Scopo dell’esercizio di oggi:
Studiare i decadimenti “leptonici” (elettroni e muoni) della particella
W+ e W- prodotte negli urti fra protoni a LHC (esperimento ATLAS).
Da questo studio e’ possibile ottenere informazioni sulla struttura
interna dei protoni
Per fare questo e’ necessario riconoscere quando un evento contiene
un decadimento di una W+ o W- in elettrone o muone (+ neutrino)
(vedi prossima pagina)
Per riconoscere un decadimento di W in elettrone o muone e’ necessario
saper riconoscere come appare un elettrone o un muone nell’apparato
sperimentale ATLAS.
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Decadimento delle particelle W
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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Promemoria
Un elettrone si riconosce da:
-Una traccia nel tracciatore interno
-Un importante deposito di energia nel calorimetro elettromagnetico
-Nessun deposito di energia nel calorimetro adronico
-Nessun segnale nelle camere a muoni
Un muone si riconosce da:
-Una traccia nel tracciatore interno
-Un modesto depositio di energia nel calorimetro elettromagnetico
-Un modesto depositio di energia nel calorimetro adronico
-Segnali in una o piu’ camere del rivelatore a muoni
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gluone + quark
66 %
gluone + gluone
34 %
Arancio=misurato, verde=teoria, rosso=contenuto di quark u rispetto a d
f+ = 0.66*(2/3) + 0.34*(1/2) ~ 0.60 (idealmente)
f- = 0.66*(1/3) + 0.34*(1/2) ~ 0.40 (idealmente)
f+/f- ~ 1.5 (idealmente)
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provenienti da g+q:
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Compito 1 : Scopri la struttura del protone!
Seleziona tutti gli eventi di segnale (eventi con produzione di una particella W) tra i 50
eventi che ti sono stati assegnati. Per questi determina la carica della particella W. Alla
fine combinando i risultati determina il rapporto tra il numero di W carichi
positivamente e il numero di W carichi negativamente. Una quantità indicata con R±.
Un evento di segnale e’ caratterizzato da:
c’e’ esattamente un elettrone o muone (leptone positivo o negativo), che appare isolato
(non e’ all’interno di un jet di particelle), con un impulso trasverso pt > 20 GeV
Nell’evento manca una parte dell’impulso trasverso totale: MET > 25 GeV (presenza di un
neutrino di alto impulso trasverso, proveniente dal decadimento della W).
L’angolo fra il leptone carico e la direzione della MET, nel piano trasverso, deve essere tra
160° und 200° (circa opposti in direzione, entro la risoluzione)
Se l’evento non ha queste caratteristiche., e’ classificabile come evento di fondo.
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Caratteristiche dei possibili eventi Higgs fra il fondo
contenere ESATTAMENTE DUE leptoni (elettroni o muoni) con carica elettrica
opposta, isolati (non contenuti in un jet di particelle)
ciascuno deve avere un impulso trasverso di almeno 20 GeV.
Inoltre deve esserci anche un impulso trasverso mancante di almeno 40 GeV.
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