Masterclass 2012 – Prima Parte Stefano Marcellini – INFN Bologna (Quasi) tutto quello che c’e’ da sapere sulla fisica delle particelle elementari 22/12/2015 1 Le particelle fondamentali della natura hanno spin = ½ νe e νμ μ ντ τ u d c s t b 3 famiglie 22/12/2015 Q= 0 LEPTONI Q= -1 Q= +2/3 QUARK Q= -1/3 …piu’ le corrispondenti antiparticelle 2 Le Interazioni fondamentali • Tutti i fenomeni che conosciamo 1) 2) 3) 4) 22/12/2015 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 22/12/2015 4 Esempio: l’atomo elettrone Interazione Elettromagnetica: scambio di fotoni nucleo 22/12/2015 5 +, 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 22/12/2015 6 Esempio: decadimento Beta protone neutrone Quark d Quark u WLa particella W vive per un tempo brevissimo: < 10-23 s. E’ quindi assolutamente invisibile 22/12/2015 elettrone anti-neutrino 7 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 22/12/2015 8 Lago Lemano 22/12/2015 9 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. 22/12/2015 10 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 22/12/2015 11 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) 22/12/2015 12 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 ! 22/12/2015 13 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 22/12/2015 14 Un rivelatore di particelle idealmente deve poter fare tutto questo. 22/12/2015 15 Particelle ad alto momento trasverso pt Momento trasverso pt Direzione del fascio di protoni incidente 22/12/2015 16 Particelle ad alto momento trasverso pt Momento trasverso pt Direzione del fascio di protoni incidente 22/12/2015 17 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 22/12/2015 18 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) 22/12/2015 19 Esercizio di oggi pomeriggio: Ricerca di eventi in cui e’ stata prodotta UNA particella W. Identificazioe e conteggio delle W positive rispetto alle W negative Selezione di questo tipo di eventi rispetto agli eventi di fondo Ricerca, tra gli eventi di fondo, di eventi in cui sono state prodotte DUE particelle W 22/12/2015 20 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 22/12/2015 21 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 22/12/2015 22 Perche’ “trasversa” ? Momento trasverso pt Direzione del fascio di protoni incidente Gli impulsi dei due partoni iniziali non sono uguali !!! 22/12/2015 Invece nel piano trasverso Pt = 0 prima, e Pt = 0 dopo !!! 23 Eventi di fondo (per l’esercizio che farete oggi) Stati finali con 2 elettroni Energia trasversa mancante, MET ~ 0 Stati finali con 2 muoni 22/12/2015 24 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 22/12/2015 25 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) 22/12/2015 provenienti da g+q: 26 Il bosone di Higgs e’ una particella prevista dalla teoria ma finora mai osservata (Aggiornamento Dic. 2011: possibili indicazioni della sua esistenza) Serve a spiegare perche’ le particelle fondamentali hanno massa. Puo’ essere prodotta a LHC e poi decadere in questo modo: Higgs Fondo WW Stati finali con coppie W+W- 22/12/2015 27 Higgs Fondo WW Stati finali con coppie W+W- Idealmente sono eventi molto simili. Pero’ lo spin di H (spin=0) influisce sulla distribuzione in angolo delle W provenienti dal suo decadimento. Quindi la distribuzione angolare dello stato finale e’ diversa nel caso di decadimento dell’Higgs rispetto a un normale evento WW (sara’ una parte dell’esercizio che farete). 22/12/2015 28 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). 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. All’interno degli eventi, selezionare quelli WW e studiare la loro distribuzione angolare, per confrontarla con quello che ci si aspetta da eventi prodotti dal decadimentio della particella di Higgs. 22/12/2015 29 vero vero MET>25 GEV falso Esattamente 1 Leptone (e o µ ) Pt del leptone > 20 GeV ? vero vero vero Leptone isolato dal jet falso Esattamente 2 Leptoni (eµ, ee, µµ ) di carica opposta , e isolati vero Pt1>25 GeV Pt2> 15 GeV falso falso Candidato W vero Candidato WW falso MET>40 GeV se ee, µµ MET >25 GeV se eµ Annotare l’ angolo Δɸ tra I 2 leptoni Fondo (background)