IFAE – Torino Aprile 2004
PROSPETTIVE FUTURE PER HEP
IN EUROPA
Lorenzo Foà
Scuola Normale Superiore
INFN di Pisa
Il passato
• SppS: costruito per scoprire W e Z.
Fatto nel 1993
• Il Tevatron è stato costruito per studiare W e Z
Fatto con la misura di MW = 80.454+0.049 GeV
In piu’ scopre il top e ottiene una misura eccellente della
massa. Dimostra inoltre che si può fare la fisica del b
• LEP: costruito per verificare in dettaglio lo S.M.
Fatto in modo eccellente tanto da predire correttamente
la massa del top attraverso le correzioni radiative.
Avrebbe potuto scoprire l’ Higgs....Peccato!
Il presente: LHC
La data fondamentale per il futuro della fisica delle particelle
in Europa è un giorno dell’ottobre 1993:
Il Congresso americano cancella il progetto
SUPER SUPERCONDUCTING COLLIDER (SSC)
Questo ha reso possibile un processo a valanga che ha
portato nel 1994 all’approvazione di LHC che non decollava:
Prima fase:
LHC con magneti mancanti  9 TeV (2004)
Seconda fase: LHC completo 
14 TeV (2008)
SOLUZIONE INSOSTENIBILE
nel 1996 il Council del CERN approva LHC completo (2005)
insieme a una riduzione del bilancio del 8.5%
LHC
LHC ha un compito preciso come le macchine
precedenti:
Scoprire, se esiste, il bosone di Higgs e completare il
Modello Standard.
Ma soprattutto deve dirci dove dobbiamo andare al di
là del Modello Standard e cancellare o verificare le
varie teorie proposte dai teorici.
Per me quindi LHC avrà due fasi ben distinte:
La prima fase, esplorativa, per rispondere a domande
come:
Esiste il bosone di Higgs?
Esiste una nuova interazione mediata da un bosone scalare
(cosa mai vista prima)?
f
f
W
W
W
W
f
f
f
E’ davvero così leggero
come suggeriscono i dati?
W
h
W
W
W
W
bosone di Higgs
E’ il campo di Higgs responsabile
del mixing CKM (dal fatto che le
matrici di Yukawa sono non diagonali)?
• della violazione di CP (dal fatto che
queste sono complesse)?
• Quanti doppietti di Higgs esistono?
(1, 2, .... 6)
(ci sono molti modi per far incontrare le
rette delle costanti di accoppiamento, ma
differiscono per il valore di m all’incrocio)
Ricerca della supersimmetria
La supersimmetria è una realtà o solo una elegante
ipotesi non realizzata?
E’ questa la via per realizzare l’unificazione degli
accoppiamenti di gauge?
La supersimmetria è responsabile per la materia
oscura?
WMAP:
Ωtot= ΩB+ ΩDM + ΩΛ =1.022+0.02
ΩB = 0.044 ± 0.004
ΩDM = 0.22
ΩΛ
± 0.04
= 0.73 ± 0.04
Supersimmetria
• Questa tabella contiene una precisa stima di quanta
materia oscura ci deve essere. Se si accetta che questa
sia fatta di neutralini, se ne puo’ determinare il numero
data la massa: sono quasi sempre troppi.
• Bisogna che avvengano fenomeni di annichilazione come
c+t  g + t
• oppure la massa del χ deve essere vicina, ma non uguale,
alla metà della massa del bosone di Higgs per cui


c+c  h (vicino alla risonanza)
ALTRE IDEE
Nuove dimensioni dello spazio, compattificate con raggi
inferiori al mm, in cui solo la gravità può penetrare,
potrebbero risolvere il problema della gerarchia:
1-Produzione diretta di gravitoni e torri di Kaluza-Klein
2-Produzione di radioni che decadono in coppie di Higgs
Il bosone di Higgs non si trova: questo implica che le
interazioni deboli diventano forti alla scala del TeV con
risonanze nello scattering WL-WL
SECONDA FASE
• Quando LHC avrà fornito la risposta di base:
In che direzione dobbiamo andare?
potrà iniziare una fase di misure di precisione sulle nuove
particelle scoperte. A questo punto la luminosità sarà una
componente essenziale di ogni misura e diverrà molto
interessante spingere al massimo le prestazioni di LHC
LHC  SLHC
Vale quindi la pena di spendere due minuti su SLHC,
sui rivelatori e sulla fisica che questi permetteranno
di fare
ACCELERATORE:
due opzioni, una realistica, l’altra improbabile:
1-Aumento della luminosità di un fattore 10: 1034 1035 cm-2s-1
2-Aumento dell’energia di fattore 2: 714 TeV
La prima usa tutte le strutture esistenti ed ha un costo accessibile,
la seconda significa cambiare tutti i dipoli degli archi con magneti
di nuovo disegno, basati su tecnologie non ancora studiate ed è
estremamente costosa
La strada per aumentare la luminosità di un fattore 10:
Fase 0- limitata, senza modifiche hardware
•
Collisioni solo in I1 e I5
•
crescere l’intensità per bunch al limite fascio-fascio
Così la corrente cresce da 1.1 a 1.7 1011 ppb
•
Crescere l’energia al massimo possibile: E=7.54 TeV
Fase 1- modifiche solo nelle inserzioni e negli iniettori
• Modificare le inserzioni di quadrupoli nelle zone di
interazione: β*= 0.25m
• Crescere l’angolo di incrocio di √2
• Raddoppiare il numero di bunches (12.5 ns)
CHE FISICA FAREMO CON QUESTA MACCHINA?
In attesa delle scoperte che faremo con LHC possiamo
solo descrivere le migliorie alle misure del M.S.
ASSUNZIONE: I rivelatori, rifatti o migliorati, forniscono le
stesse prestazioni di quelli che costruiamo ora per LHC.
1- Fisica del Higgs
Decadimenti rari:
H g Zll
accoppiamento Higgs- bosone
visibile con 11 
GeV
H+-
possibile solo sotto m=150
significanza: da 8 a 3
Produzione: fusione di B.V. irraggiati dai quark
Richieste: 1-migliore granularità dei calorimetri in avanti
2-vetare eventi con jets nella zona centrale
1-Accoppiamenti Higgs-fermioni:
R(Hff‾)=L(ppH)Γf /Γ
Γf=gf2,  e Γ dalla teoria
oppure:
2-Accoppiamenti Higgs-bosoni
H  ZZ  4l
che fornisce ΓZ/ΓW (al 10%)
H WW  llνν
in maniera indipendente dal modello.
3-Autoaccoppiamento del Higgs:
λHHH=3mH2/v
λHHHH=3mH2/v2
in cui λHHH è determinato da
gg  H  HH
Questo processo va estratto da vari processi di fondo
ed è possibile a SLHC solo se 170<mH<200 GeV al
livello del 25%.
4-Fisica del top
Decadimenti rari:
t  qγ
t  qZ
t  qg
q=u,c
’’
’’
con branching ratios di circa 10-3.
Possibili se si mantiene inalterato il b-tagging
5-Nuovi bosoni di gauge
esteso da 5.9 a 6.5 GeV
MA SAREBBE BEN POCO SE QUESTO FOSSE TUTTO!
Cosa significa: “il rivelatore deve mantenere le stesse prestazioni
di quello che stiamo costruendo per LHC”?
Vediamo come esempio il tracciatore:
•E’ il rivelatore per cui abbiamo più idee nuove
•E’ il rivelatore che soffrirà di più la radiazione
•Pixels  occupanza di 10-4 rispetto alle microstrips che hanno
10-2 e sono quindi ideali per fornire il seme delle tracce.
•Tracker necessario nel trigger di primo livello per essere selettivi
sugli elettroni e sul pt dei muoni.
•Va rifatto tutto:
r>60 cm
60>r>20 cm
r<20 cm
sviluppo microstrips attuali
sviluppo pixels attuali
nuove tecnologie
(pixels più piccole, tecnologia criogenica, 130 °K, elettronica
più veloce per essere in tempo al trigger L1 e più radhard,
tecnologia di 130 nm).
Quindi parlare di adattamenti del detector significa:
•Riprogettare un tracciatore da sostituire a quello
distrutto da 5 anni di lavoro a LHC
•Portare a un livello più avanzato l’automazione della
costruzione in serie dei sensori rispetto a CMS
•Riprogettare l’elettronica ubbidendo alle condizioni odierne
del mercato: almeno 100.000 chips/tipo,al massimo due
iterazioni.
Va notato con piacere che l’aumento di energia sarebbe gratis
per gli esperimenti come lo fu il passaggio da LEP a LEP2.
Ma ci vorranno solidi argomenti, basati sulle scoperte di LHC
per poter solo discutere di una simile opzione.
Aldilà della realtà sicura di LHC, la comunità si
interroga sulle possibili macchine del futuro
Le opzioni sono varie e di grande interesse:
1- un collisore lineare e+e- da 0.5  1(3) TeV con luminosità
di 5 1034cm-2s-1
2- un collisore μ+ μ- nella zona di massa di 3 TeV con una
luminosità equivalente
3- un Very Large Hadron Collider (VLHC) da 100 a 240 TeV
per esplorare il range di massa fino a 30 TeV, con una
circonferenza di 200 Km.
4- Una Neutrino-Factory basata sulla tecnologia di un
accumulatore di muoni
Negli anni 95 – 99 tutto questo era puramente speculativo
Nel giro di 3 anni le prospettive cambiarono:
1- Il collider μμ, molto attraente come prospettiva per l’eccellente
definizione dell’energia (esempio la Higgs Factory),risulta
estremamente lontano nel tempo e non ha una comunità
seriamente impegnata a sostenerlo.
2- VLHC resta il sogno predominante in alcuni ambienti (FNAL) ma
non fa passi concreti
per la necessità di uno sviluppo impegnativo e costoso di magneti
superconduttori a basso costo
perchè sarebbe insensato parlarne prima di aver visto i risultati di
LHC.
L’ipotesi di un collisore lineare e+e- , dopo 10 anni di
studio, diventa l’opzione più realistica, più basata su
un reale R&D, a DESY, a SLAC a KEK ed anche al
CERN, con una forte comunità fedelissima.
Il fascino di questo acceleratore (capito bene a LEP)
•numeri quantici dello stato iniziale definiti
• natura point-like dell’interazione
• complementarità rispetto a LHC.
Molti progetti sono stati sviluppati negli anni.
Oggi, due sono quelli più avanzati, ad un livello da
permettere un disegno costruttivo e una valutazione
credibile dei costi:
1-
JLC-X/NLC
Basato sulla tecnologia delle radiofrequenze a temperatura
ambiente, secondo la linea di SLC nella regione X-band.
Su questa tecnologia sono confluiti, dopo molti anni di lavoro
parallelo, il progetto giapponese, JLC, Japan Linear Collider, e
quello californiano, NLC, New Linear Collider.
La necessità di limitare la lunghezza dell’acceleratore comporta la
necessità di cavità ad alto gradiente.
Oggi, a fronte del gradiente di progetto di 65 MV/m, parecchie
cavità funzionano a 60 MV/m, senza eccessivi danni al foro di
ingresso e di uscita (iris).
Nonostante il tanto lavoro fatto, il progetto richiede ancora
almeno un anno di R&D.
TESLA
Sviluppato a DESY sotto la spinta irresistibile di B. Wijk, sulla
base di cavità superconduttrici:
dalle cavità di LEP con
6.0 MV/m
a quelle del progetto attuale da 500 GeV
23.8 MV/m
a quelle necessarie per salire a 800 GeV
35.0 MV/m
con un valore di Q° superiore a 1010 grazie alla lucidatura
elettrica sviluppata a KEK, a Saclay e a DESY.
Probabilmente il progetto più sviluppato
Nel frattempo cresce un nuovo progetto:
CLIC al CERN
Sviluppato al CERN, si basa su principio molto nuovo che
permette una grande riduzione della lunghezza e quindi
un aumento dell’energia per esempio a 3- 5 TeV
Una serie di fasci di elettroni di alta corrente e bassa energia
corrono parallelamente al fascio del vero acceleratore di bassa
corrente e alta energia. Cavità frenanti tolgono potenza ai primi
fasci e la trasferiscono al secondo come in un trasformatore
Questo avviene in una struttura molto compatta dato che la
frequenza è 30 GHz (TESLA 1.3 GHz)
Lavora senza Klystron su fascio principale!
Il R&D ha fatto molta strada da CTF1 a CTF2 e ora a CTF3,
anticipato dal DG in modo da rispondere alle domande entro il
2009.
Questo ricco panorama di tecnologie contiene un germe
pericolosissimo:
Ogni progetto è associato a una tecnologia e a un sito. Ma, dato il
costo, la realizzazione deve essere globale.
Su questo fronte in 10 anni non c’è stato alcun progresso
concreto.
Ho vissuto personalmente molte tappe di questa storia. Durante 5
anni di direttorato (1994-1998) ho partecipato a una decina di
riunioni di ICFA senza alcuna evoluzione.
Nel 2000 Albrecht Wagner, direttore di DESY, mi chiese, come
chairman di ECFA, l’opinione dell’Europa su TESLA. Usando i
membri del comitato come centri di raccolta delle opinioni dei vari
paesi, abbiamo prodotto un documento:
“Report of the working group on the future of acceleratorbased particle physics in Europe”
Dopo una analisi del futuro rappresentato da LHC e
delle possibilità offerte da un collider μμ, da una νfactory, da un VLHC, e della loro realizzabilità abbiamo
raggiunto la conclusione unanime di
RACCOMANDARE UN ACCELERATORE LINEARE e+ePER MASSE SUPERIORI A 400 TeV ESTENDIBILE A
1000 COME PROSSIMA MACCHINA MONDIALE
con la richiesta di un periodo di sovrapposizione con
LHC.
Appena dopo l’approvazione di Plenary ECFA volai a
Aspen dove ho presentato le conclusioni alla riunione
di un gruppo equivalente al nostro di HEPAP che due
giorni dopo raggiunse conclusioni identiche alle nostre.
Subito dopo arrivò l’analoga risoluzione di ACFA.
Così la raccomandazione dell’ambiente scientifico era
unanime a livello planetario.
Perche un collisore e+e- a 1 TeV?
•Se il bosone di Higgs è leggero come suggeriscono le
correzioni radiative, permetterà di studiarne le proprietà
come LEP ha studiato la Z.
•Se molte particelle supersimmetriche sono nel suo
range di energia, è la sola macchina che può ricostruire
la catena di decadimenti e misurarne le caratteristiche.
•Se l’Higgs non esiste, misure di precisione alla Z e al top
permetteranno test di consistenza 10 volte più precise
che a LEP. Le deviazioni indicheranno la via verso nuova
fisica al di là della portata della macchina
Naturalmente questo sarà tanto più vero quanto
maggiore sarà la sua energia e quanto più si
sovrapporrà a LHC
Nello stesso periodo Wagner propose il
GLOBAL ACCELERATOR NETWORK
Uno schema in cui il prossimo acceleratore mondiale
sarebbe costruito a pezzi dai laboratori di tutti i paesi,
con piena responsabilità di disegnarli, costruirli, istallarli
e garantirne il funzionamento. Solo un piccolo gruppo di
macchinisti risiederebbe nel laboratorio, che dovrebbe
essere contiguo ad un laboratorio esistente. Il paese
ospitante è previsto pagare di più.
Una buona idea per salvare i laboratori nazionali.
Per il resto, solo la struttura organizzativo-burocratica è
cresciuta a dismisura per mantenere un po’ di spinta al
progetto.
Oggi, nel 2004, la struttura è la seguente:
ORGANIZZAZIONE INTERNAZIONALE
Tra tutti questi comitati, steering committees, boards ce n’è uno
che potrebbe muovere veramente il processo di decisione: lo
INTERNATIONAL TECHNICAL REVIEW COMMITTEE
(I.T.R.C)
Il cui compito è scegliere la tecnologia da adottare in base ad
argomenti scientifici, tecnici, di schedule e di costo entro il 2004
o possibilmente anche prima.
I membri di questo comitato che si è riunito per la prima volta in
Gennaio 2004 sono:
ASIA
EUROPA
U.S.A.
Gyung-Su Lee
Augustin
Bagger
Masaike
Bellettini
Barish (Ch)
Oide
Kalmus
Grannis
Sugawara
Soergel
Holtkamp
Inizio del lavoro sarà una visita ai laboratori interessati al progetto
Riusciranno i nostri 12 a raggiungere una conclusione in un anno?
La comunità accetterà il loro verdetto come promesso?
Se sì, il processo passa ai politici per
• la scelta del sito
• la ripartizione dei costi tra i partners.
La decisione finale dovrebbe essere nel 2007. Sarà una
coincidenza casuale con l’inizio di LHC?
Un elemento chiave della decisione sarà sapere cosa c’è sotto 0.5
e sotto 1 TeV.
In tal caso la tentazione di vedere i primi risultati di LHC sarà
fortissima.
Questo sta già nella visione strategica ventennale del DOE
QUALE FISICA AL LINEAR COLLIDER?
Negli ultimi 10 anni ha preso velocità lo studio del mondo dei
LEPTONI
LEP ha mostrato che le famiglie di neutrini leggeri sono 3
Sono state scoperte le oscillazioni dei neutrini
solari e atmosferici
in cui l’ampiezza dipende da sin2θ e la frequenza da Δm2
Oggi sappiamo che
θ12 = 30°
θ23 = 45°
Δm122= 7 10-5 eV2
Δm232=2.5 10-3 eV2
θ13 < 10°
Dovremo vedere:
?
νμ  νe,
e la violazione di CP
P(aνμ  aνe) ≠ P(νμ  νe)
ντ  νe
Vie sperimentali diverse a tempi diversi
• Tra poco: MINOS e CNGS (OPERA e ICARUS)
(inclusi i fasci fuori asse)
• In costruzione: JHF verso SUPER-KAMIOKANDE
(con in futuro Hyper-Kamiokande?)
•High Intensity low energy Superconductive Proton Linac (SPL)
• I fasci BETA (6He++ 6Li+++ aνe e- ) puro fascio di aνe
oppure
(1810Ne 189F νe e )
puro fascio di νe
• Neutrino Factory con anello di accumulazione per μ
Esiste una comunità decisa e compatta a livello
internazionale e la problematica fisica è di
prima grandezza. Con tempi lunghi andrà
avanti.
CONCLUSIONI
1-LHC ci deve aprire il futuro come fece la J/ψ
2-Con grande fatica forse avremo un collisore
e+e- da 1 TeV (o superiore) dopo il 2015
3-La fisica del neutrino avanzerà lentamente
ma sicura per spiegarci il mondo dei leptoni
4-E’ il momento per attrarre nuovi laureandi