Masterclass 2011 – Prima ParteStefano Marcellini – INFN Bologna

(Quasi) tutto quello che c’e’ da sapere sulla fisica delle particelle

elementari

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νe νμ ντ

e μ τ

u c t d s b

Q= 0

Q= -1

Q= +2/3

Q= -1/3

Le particelle fondamentali della natura hanno spin = ½

LEPTONI

QUARK

3 famiglie …piu’ le corrispondenti

antiparticelle11/04/23 2

Le Interazioni fondamentali

• Tutti i fenomeni che conosciamo sono interpretabili mediante 4 forze, o “interazioni” fondamentali.

1) Int. GRAVITAZIONALE2) Int. ELETTROMAGNETICA3) Int. DEBOLE4) 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 gluoni11/04/23 4

Interazione Elettromagnetica:

scambio di fotoni

Esempio: l’atomo

elettrone

nucleo

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particella A

particella B

Mediatore della forza,Scambiato tra A e B

Interazione carica-mediatore

Int. Gravitazionale: Gravitoni

Int. Elettromagnetica: fotoniInt. forte: 8 tipi di gluoniInt. debole: W+, W- , Zo

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Esempio: decadimento Beta

Quark d Quark u

elettrone

anti-neutrino

W-

neutrone protone

La particella W vive per un tempo brevissimo: < 10-23 s.E’ quindi assolutamente invisibile11/04/23 7

Due protoni vengono fatti urtare fra loro ad altissima energia (accelerati da un acceleratore)

Quello che succede nell’urto, avviene su scale spaziali piccolissime, tanto più piccole tanto maggiore è l’energia a cui avviene l’urto. Lo studio dei prodotti della collisioni ci da le informazioniper capire cosa è avvenuto nell’urto

Cosa avviene concettualmente in un urto tra particelle ?

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Lago Lemano

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 budgetnormale, senza richiesta di sovvenzioni speciali)

Consumo energetico a pieno regime: 180 MWatt (meno di un decimo di tuttoil cantone di Ginevra), fornito dalla societa’ elettrica francese.

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Alcune caratteristiche dell’acceleratore

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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€/annoMolto 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 !

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

Direzione del fascio di protoni incidente

Impulso

della particella p

Momento trasverso pt

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Particelle ad alto momento trasverso pt

Direzione del fascio di protoni incidente

Impulso

della particella p

Momento trasverso pt

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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 alcunead alto pt. Sono gli eventi “interessanti”che bisogna selezionare.

Sono una frazione di moltiordini 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 trasportanola carica forte o di colore)

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Produzione di W ad LHC in urti fra 2 protoni (esercizio di oggi)

gluone + quark66 %

gluone + gluone34 %

N.B. nel primo caso il rapporto W+/W- dipende dal contenuto di quark u e d del protone

W+ W-

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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 11/04/23 21

Perche’ “trasversa” ?

Direzione del fascio di protoni incidente

Impulso

della particella p

Momento trasverso pt

Gli impulsi dei due partoni iniziali non sono uguali !!!

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 diproduzione 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:

Stati finali con coppie W+W-

Higgs Fondo WW

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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 contieneun 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’apparatosperimentale 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 11/04/23 26

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

Promemoria

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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)

gluone + quark66 %

gluone + gluone34 %

provenienti da g+q:

Arancio=misurato, verde=teoria, rosso=contenuto di quark u rispetto a d

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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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