Masterclass 2013 – 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

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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Informazioni utili per l’esercizio di oggi pomeriggio: la particella Zo

Quark u

Elettronemuone

protone protone

La particella Z vive per un tempo brevissimo: 10-25 sE’ quindi assolutamente invisibile, ma…

Quark u

Zo

Anti – elettroneAnti – muone

E’ responsabile delle interazioni deboli “neutre”

La Z ha una massa di circa 91 GeV:circa 91 volte la massa del protone

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La Zo vive pochissimo e poi decade trasformandosi in coppie di particella-antiparticella.(es: elettrone-antielettrone oppure muone-antimuone)

La misura della massa invariante di queste coppie contiene il “ricordo” del fatto che esse sono state prodotte dal decadimento della Z o di altre particelle.

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Perche’ non si osserva una massa ben precisa ?

Particella che “nasce e muore” in un tempo brevissimo: si puo’ fare a patto che la sua massa (energia) sia indeterminata:

Principio di indeterminazione di Heisenberg: ΔE ·Δt > h

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Bosone di Higgs

Particella di spin zero (bosone) .

L’interazione delle particelle fondamentali con il campo di Higgs fa loro acquisire la massa

2 fotoni nello stato finale:raro ma “abbastanza chiaro”

4 leptoni nello stato finale:Fondo relativamente basso

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Bosone di Higgs: Massa = 125 GeV

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Esercizio di oggi pomeriggio:

Ricerca di eventi in cui e’ stata prodotta una particella Z nei suoi decadimenti in coppie di elettroni o muoni

Piu’ in generale ricerca di eventi con coppie di elettroni o muoni, che possono evidenziare la produzione di particelle particolari

Selezione di questo tipo di eventi rispetto agli eventi di fondo

Ricerca di eventi con una coppia di fotoni energetici. Sono eventi all’interno dei quali e’ricercata l’esistenza del bosone di Higgs.

Ricerca di eventi con 4 elettroni, oppure 4 muoni, oppure 2 elettroni e 2 muoni. Anche questi eventi sono utilizzati per cercare il bosone di Higgs.NB. Solo pochi eventi in tutto !

Eventi di decadimento della Z (per l’esercizio che farete oggi)

Stati finali con 2 elettroni

Stati finali con 2 muoni

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Energia trasversa mancante,MET ~ 0

NB. Cariche elettriche sempre opposte !!!

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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Decadimento delle particelle W (fondo)

Stati finali con elettroni

Stati finali con muoni

N.B. i neutrini si manifestano come energia trasversa mancante (MET) nell’evento 11/04/23 28

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Z ‘ (Zeta primo)In linea di principio e’ possiibile che esistano replica pesanti della ZE’ cercata come la Z, in coppie di 2e oppure 2µ

Nei dati che analizzerete sono inseriti alcuni eventi simulati di Z’.Vediamo se li scoprirete e come