Fisica agli Acceleratori
di Particelle
Stefania Spagnolo
Dipartimento di Fisica e Sezione INFN, Lecce
Il Modello Standard (MS)
La teoria dei costituenti ultimi
della materia e delle loro interazioni
La predittivita` della teoria e le misure
Gli esperimenti agli acceleratori
Un po’ di storia: il ruolo degli acceleratori
nella fisica moderna
I test di precisione del MS a LEP
Il bosone di Higgs
La ricerca del bosone di Higgs a LHC
Il Modello Standard
… gli ingredienti
_
_
_
nt nm n e
W
t+
m+
e+
anti-materia
_
t
W
_
b
_
u
_
_
bosoni vettori
leptoni
ne
nm
e-
m- t-
Z, g
_
c
s
Z
d
quark
Z, g
nt
W
materia
u
c
t
d
s
b
W
Z
le interazioni forti
protone
q
q
g(gluone)
_
Cosa accede se si produce una
coppia qq di alta energia
91 GeV
Q0
leptoni
Il Modello Standard
… gli ingredienti
ne
nm
e-
m- t-
Q=-1
0.5 MeV
I colori:
le cariche
delle
interazioni
forti
nt
0.106 GeV
Spin 1/2
materia
Spin 1/2
Q=2/3
quark
u
3 MeV
Q=-1/3
d
6 MeV
Z, g
1.8 GeV
t
s
b
0.125 GeV
Spin 1
80 GeV
1 GeV = massa
del protone
c
1.5 GeV
W
175 GeV
4.5 GeV
W
Il Modello Standard
Una teoria di campo “gauge invariante”
Una Lagrangiana
L
=
+
+
+
L
con un alto grado di simmetria
particelle di materia libere
bosoni vettori liberi
interazione materia-bosoni
interazioni bosoni-bosoni
+ XXX
I processi elementari, cioè le interazioni tra particelle di
materia mediate da bosoni vettori, sono definiti da
uno stato iniziale e uno stato finale e rappresentati da
diagrammi di Feynman
(a cui corrispondono quantità “complesse” calcolabili dalla
Lagrangiana)
Processi elementari
La probabilità di un processo è espressa dal concetto di
sezione d’ urto s
Misurata in cm2
più spesso in pb
10-24 cm2 = 1 pb
Calcolata con tecniche perturbative
A
tempo
ampiezza di
scattering
(complesse)
diagramma di Feynman
Intervengono i vertici
consentiti dalla Lagrangiana
Il numero di vertici definisce l’ordine
dello sviluppo perturbativo
s ~
|Si Ai |2
In generale piu`diagrammi
contribuiscono a un processo
Le ampiezze interferiscono
nella sezione d’urto
a2
a4
Agli acceleratori di particelle
si osservano gli “eventi” (stati finali)
che risultano dagli urti tra particelle (stato iniziale) in laboratorio e accelerate
a velocita` relativistiche (v ~ c)
elettroni
protoni
anti-eletroni
anti-protoni
Occorre descrivere la cinematica dell’urto
in relatività ristretta applicando la conservazione
dell’energia e dell’impulso
_
 s = (|Si Ei|2 - |Si pi|2 )1/2 Invariante relativistico
Nel
_ sistema del c.m. p = 0 e
 s = energia totale
Particelle
interagenti
predizione teorica
tempo
Particelle prodotte
(stato finale)
Serie di diagrammi di Feynman
Gli acceleratori e gli esperimenti
Accumulatori
A bersaglio fisso (FT)
Colliders
lineari
o
circolari
 s = ( ((m2 +p 2)1/2 +M)2 - p2 )1/2
= ( 2Mp )1/2
Accelerando protoni fino a 100 GeV
è possibile produrre particelle di massa
< 14 GeV in esperimenti a FT
< 200 GeV in esperimenti a collider
 s = E1 +E2 =
= 2p
I Colliders
p, m
-p, m
Si classificano principalmente in base a
Determina il tipo di processi
accessibili alla soglia
di energia disponibile
Tipo di particelle accelerate
s = Ecm (energia nel centro di massa)
Luminosità
L
N eventi prodotti = L s Dt
L = f ______
n1 n2
4psxsy
I fasci sono costituiti da pacchetti di
particelle ( n per pacchetto ) di dimensioni
sxsy e collidono con frequenza f
sx e sy sono dell’ordine di 10 - 100 mm
Collider circolari
LEP
luminosità
Ecm
particelle
Tempo tra 2 collisioni dei fasci
Particelle in un pacchetto
1032 cm-2s-1
210 GeV
e +e 22ms
45x1010
LHC
 1034 cm-2s-1
14 TeV
pp
25ns
10.5x1010
Rivelatori ai colliders
Struttura a “cipolla”
Identificano la natura delle particelle
Misurano il momento delle particelle cariche
nel rivelatore di tracciamento dalla curvatura delle traiettorie
in campo magnetico
Misurano l’energia delle particelle neutre nei calorimetri
Identificano i muoni nei rivelatori piu` esterni
Le particelle scoperte dal 1960 a oggi…
… e il ruolo degli
acceleratori
MARK I
10 Nov. 1974
MARK I at SPEAR
SLAC
’  J/ p+pJ/  e+e-
In urti e+e- si osserva per la prima volta la J/,
particella costituita da un quark e un antiquark c
m(J/) = 3.1 GeV (3 volte la massa del protone)
1 Agosto 1977 Fermilab (USA)
Physical Review Letters pubblica la prima evidenza dell’esistenza del quark b
1977 scoperta della particella  da un eccesso di
coppie m+m- con energia nel centro di massa  10 GeV
in urti di protoni di alta energia su un bersaglio metallico
1980 at the Cornell Electron Storage Ring (CESR)
La 
e`riconosciuta
come lo stato a
energia piu`
bassa del
_ sistema
legato bb
Il leptone piu` pesante t
1975 SPEAR (urti e+e-)
M. Perl osserva eventi con
un elettrone e un muone
Premio Nobel
nel 1995
Gli acceleratori e la QCD
ee+
e+
_
q
q
Una predizione della QCD
verifivata a SPEAR nel 1973
in urti e+e- a Ecm= 4 GeV
e-
PETRA
DESY
1979
Ecm=30 GeV
3 getti di adroni
gluone
_
q
q
I quark non si propagano come particelle
libere ma siano “confinati” in adroni.
Pertanto i quark prodotti in processi elementari
si manifestano come getti di particelle adroniche
Prima evidenza
del gluone
1983 UA1 _
a SPS CERN
collisioni pp a Ecm = 540 GeV
Prima produzione diretta dei
bosoni Z e W mediatori assieme al g
delle interazioni elettro-deboli
Le tracce bianche rappresentano una coppia e+eprodotta nel decadimento di un bosone Z
1994 CDF a TEVATRON Fermilab
collisioni pp a Ecm = 1.8 TeV
_
Lo stato del Modello Standard
Le verifiche di
precisione a LEP
e+e- a Ecm = 91 GeV
LEP1 dal 1989 al 1995
e+e- a Ecm = 130-210 GeV
LEP2 dal 1996 al 2000
La ricerca dei
blocchi mancanti
a LHC
pp a Ecm = 14 TeV
dal 2006 al …
Il tunnel di LEP e LHC al CERN
27 Km di circonferenza
100 m sotto il suolo
4 punti di interazione
LEP1
dal 1989 al 1995
La maggior parte delle misure di
precisione sulla fisica elettrodebole
proviene da LEP1 e SLD (SLAC)
4 esperimenti
e+e- a Ecm = 91 GeV = MZ
e+
s=MZ2
e+
m+
t+
_ _
q n
Z
e-
e- m- t- q n
4 possibili stati finali
osservabili
q  top (troppo pesante)
Risonanza nella s di annichilazione elettrone-antielettrone
Per ogni stato finale si misurano sezioni d’urto e
asimmetrie avanti-indietro
s
mm = Nmm /
Nm (avanti) - Nm (dietro)
____________________
(L Dt)
Nm-(avanti) + Nm-(dietro)
106 Z per ogni esperimento  misure di grande precisione
Z lineshape
Misura della s di
produzione di adroni
in funzione di Ecm
Una sorta di Breight-Wigner
descrive la shape della risonanza
s ~ (s - Mz2 + i MzGz)-2
La posizione del picco misura la massa
del bosone Z MZ
Gz la larghezza della risonanza
è legata alla probabilità di decadimento
Gz = 3Gll + Gadroni + NnGnn
È possibilie misurare le specie di neutrini conoscendo
Gnn dalla teoria e misurando Gll Gadroni Gz
MZ
Una delle misure
piu` precise mai
prodotte in fisica
delle particelle
Dalla combinazione
dei risultati di 4
esperimenti
Massa del
bosone Z
Gz la larghezza della risonanza
è legata alla probabilità di decadimento
Gz = 3Gll + Gadroni + NnGnn
Nn = 3.00  0.06
Dal fit complessivo
al Modello Standard
Nn = 2.994  0.012
106 Z/esperimento  Precisione sperimentale ~ 0.1%
Teoria: lo sviluppo perturbativo non può fermarsi al
all’ordine piu` basso
q
q
q
g
g
q
q
q
sadroni = s0 ( 1 + as/p + 1.4 (as/p)2 – 13 (as/p)3 )
In particolare da Ghad/Gll si ottiene una delle misure
più precise della costante di accoppiamento forte
b
b
b
t
t
W
sbb = s0(1 + C(mt))
b
Misure sensibili a grandezze non direttamente osservabili
attraverso i contributi degli ordini perturbativi più alti
Le indicazioni indirette
dalle misure di precisione
sulla massa del W e la
massa del quark top
confrontate con le misure
dirette
mH ???
H  Higgs
un bosone previsto dal
MS e non ancora osservato
la cui massa non è predetta
dalla teoria
Come si ottengono le misure indirette ?
Un Fit complessivo dei
dati al Modello Standard
Parametri di input per la teoria
(alcuni noti, altri liberi nel fit)
La teoria del MS
Le misure
Il fit
I risultati del fit
Le misure di precisione sono poco sensibili a MH
Chi e`l’ Higgs ?
L’unica
risposta
certa
finora
Dove cercarlo
e come ?
Ritornando alla Lagrangiana …
XXX = Bosone di Higgs libero + interazioni Higgs-fermioni
+ interazioni Higgs-bosoni
Perché un bosone di Higgs ?
Il MS è una teoria
rinormalizzabile se
fermioni e bosoni hanno m=0!
Proporzionali
alle masse
Le masse possono essere generate
dinamicamente (senza introdurre
“a mano” termini di massa nella
Lagrangiana) se si aggiunge XXX
preservando la simmetria e la
rinormalizzabilità della teoria
Fare previsioni nel MS è
impossibile senza il bosone
di Higgs
b
_
b
E` possibile rivelare l’Higgs a LEP 2
se MH < Ecm – MZ
e se si ha abbastanza luminosita`
Agosto 2000
I jet di quark b
sono caratterizzati da
vertici di decadimento
distanti dal punto
di interazione
Alla fine del 2000
(chiusura di LEP2)
~ 10 eventi sono
consistenti
con l’ipotesi di
MH = 115 GeV
bassa significativita`
per una scoperta
Ecm=206 GeV, MH = 114 GeV, MZ = 93 GeV
2001
il tunnel di LEP diventa
il tunnel di LHC
Attualmente in costruzione
Primi fasci in LHC previsti per il 2006
27 Km di circonferenza
100 m sotto il suolo
La ricerca dell’ Higgs a LHC pp con Ecm = 14 TeV
2 esperimenti: ATLAS, CMS
ATLAS
Le collaborazioni hanno piu` di 1000 membri
Display di eventi simulati
Collisioni pp a E = 14 TeV a LHC
Sezione d’urto inelastica totale
= 80 mb  109 eventi/s
I processi interessanti
sono urti tra i quarks
che costituiscono i protoni
Ecm(urto) < 14 TeV
Gli eventi di produzione di jet per
interazioni forti sono molto più
numerosi degli eventi ricercati
(produzione di Higgs)
Enorme fondo di eventi con jet
 Occorre cercate decadimenti
del bosone di Higgs in stati finali
con leptoni (facilemente identificabili e separabili dal fondo)
Sezione d’urto in pb (1 pb=10-12b) di produzione del
bosone di Higgs in funzione della
t
sua massa
H
g
g
q
q
q
W,Z
H
W,Z
q
I principali
meccanismi
di produzione
Branching ratios per il decadimento del bosone di Higgs
L’Higgs decade in coppie di fermioni e bosoni
Frequenza di decadimento
nei diversi canali
L’Higgs preferisce decadere
in coppie di particelle pesanti
Se MH > 2 MZ
il canale privilegiato
per la scoperta è
HZZ
fondo bassissimo
m+m-
buona efficienza di
ricostruzione e selezione
m+me+e-
Simulazione di un evento di Higgs in ATLAS
Se M (Higgs) > 180 GeV = 2 MZ
si identificano
2 muoni e 2 elettroni
tali che
 s (m+m-) = MZ
 s (e+e-) = MZ
allora
 s (m+m- e+e-) = MH
Se MH = 800 GeV il numero di eventi
prodotti in un anno di run a bassa luminosità
è 104 (109 eventi con jet di pT> 200 GeV)
La ricerca del bosone di Higgs sarà effettuata
anche in altri canali di decadimento
Il potenziale di scoperta complessivo di ATLAS
N eventi segnale
N1/2 eventi fondo
N(segnale) =
N(totale)-N(fondo)
N1/2 =
5
sN (fondo)  sN(totale)
perché N(fondo)>>N(segnale)
definisce la scoperta
La mole di eventi e
di dati
in ATLAS
1 pB = 1015 Byte
Se tutti gli eventi fossero registrati
Il flusso di dati sarebbe
40TByte/s = 40 x 1012Byte/s
La selezione degli eventi prima (trigger di I e di II livello)
e durante l’acquisizione (filtro di eventi)
L’elettronica di front-end
deve avere capacità
selettiva per gli eventi
interessanti
Successivo livello di
selezione che coinvolge i
rivelatori più lenti
Selezione basata sulla
ricostruzione
complessiva
dell’evento
Lo spettrometro consiste di
RPC per l’identificazione veloce
dei muoni (INFN Lecce, Roma,
Napoli) e MDT per la misura del loro
momento
Gli RPC sono un elemento essenziale
nel trigger di I livello
campo magnetico
toroidale
per curvare le
tracce dei muoni
Il lavoro dei fisici di ATLAS da oggi fino al 2006
In attesa della fisica e per poter fare della fisica
Hardware:
Costruzione dei rivelatori
Test delle performances
Assemblaggio al CERN
Software:
A Lecce e` stata
progettata la meccanica
degli RPC
A Lecce assemblaggio
(1200 camere !) e
test degli RPC
(400 camere!)
Sviluppo di tecniche di calibrazione dei rivelatori
Sviluppo di tecniche di ricostruzione degli eventi
Studio della strategia di analisi degli eventi
A Lecce studio di algoritmi di pattern recognition per la
ricostruzione delle tracce di muoni nello spettrometro