Fisica delle Particelle Elementari Mario Paolo Giordani Universit

Fisica delle Particelle Elementari Mario Paolo Giordani Università degli Studi di Udine Masterclass 2007 29. 03. 2007 Mario Paolo Giordani

Il Modello Standard m Q [Me. V/c] [e] +2/3 6 p = uud Atomo di carbonio (12 C): 6 n = udd 6 e QUARK – 1/3 0 LEPTONI – 1 29. 03. 2007 Mario Paolo Giordani 2

I fermioni n Componenti fondamentali della materia 1 a generazione 2 a generazione 3 a generazione m m m 27 Perchè 3 famiglie? Ce ne sono Altre? 29. 03. 2007 Mario Paolo Giordani 3

I bosoni n Mediatori delle forze n interazione = scambio di bosoni Forza Intensità Bosoni mediatori Avviene in: ~1 Gluoni (senza massa) Nuclei atomici Elettromagnetica ~10– 3 Fotoni (senza massa) Livelli atomici Debole Nucleare ~10– 5 W+, W–, Z 0 (pesanti) Disintegrazione radioattiva Gravitazione ~10– 38 Gravitoni (? ) Corpi massicci Forte Nucleare 29. 03. 2007 Mario Paolo Giordani 4

Il problema della massa n La massa: ruolo particolare nelle leggi dell’Universo n n n principi della dinamica, meccanica celeste. . . Nonostante ciò, la sua origine rimane un mistero Come se la cava il Modello Standard? n Osserviamo che: n n massa fermioni spesso trascurabile rispetto alle energie in gioco fermioni di diverse generazioni esibiscono comportamento simile la dinamica è regolata da precise simmetrie, ricavate in modo empirico interpretando i dati sperimentali Punto di partenza: teoria a fermioni privi di massa n 29. 03. 2007 qualunque tentativo di conferire massa ai fermioni comporta inevitabilmente una violazione esplicita della simmetria e al collasso della teoria stessa Mario Paolo Giordani 5

Il meccanismo di Higgs n Conferisce massa ai fermioni e bosoni del Modello Standard senza distruggerne la simmetria n introduce ulteriori campi (particelle) nella teoria n n nel rispetto della simmetria originale tali campi interagiscono fra loro n n n la loro interazione è descritta da una funzione (potenziale) il potenziale è simmetrico infiniti stati di vuoto possibili stato di vuoto = minima energia n n la scelta di uno stato di vuoto rompe la simmetria rottura spontanea della simmetria 29. 03. 2007 Mario Paolo Giordani 6

Il bosone di Higgs n Risultato del meccanismo di Higgs: n rottura spontanea della simmetria n n n prezzo da pagare: bosone di Higgs n n n conferisce direttamente massa a Z 0, W± ma non al fotone ( ) massiccio (auto-interazione) massa ignota (parametro libero) interazioni con il bosone di Higgs n n fermioni acquistano massa masse diverse = interazioni diverse candidato Higgs a LEP 29. 03. 2007 Mario Paolo Giordani 7

Fisica delle alte energie n Perchè? n n n Il bosone di Higgs è pesante Altre nuove particelle oltre l’orizzonte esplorato? Come? Collisioni fra particelle n bersaglio fisso: energia in parte sprecata √Efascio n fasci incrociati: con fasci stabili energia liberata nell’urto 2 Efascio 29. 03. 2007 Mario Paolo Giordani 8

Il CERN n n Comitato Europeo per le Ricerche Nucleari Lo statuto del CERN recita: n L’Organizzazione deve realizzare la collaborazione tra gli Stati Europei per la ricerca nucleare di carattere strettamente scientifico e fondamentale e per ricerche strettamente connesse ad essa. n L’Organizzazione non deve essere coinvolta in attivita’ di natura militare ed i risultati ottenuti dalle ricerche effettuate devono essere pubblicati o comunque resi pubblici. 29. 03. 2007 Mario Paolo Giordani 9

Gli Stati membri n 20 Stati membri n Osservatori: Israele, Turchia, USA, Giappone, Russia 29. 03. 2007 Mario Paolo Giordani 10

Il Laboratorio 29. 03. 2007 Mario Paolo Giordani 11

Il Large Hadron Collider (LHC) n n tunnel di 27 km di circonferenza fasci incrociati di protoni a 7 Te. V 2835 pacchetti per fascio 1011 protoni per pacchetto n incrocio dei fasci ogni 25 ns (40 MHz) 1 GHz di collisioni protone-protone dimensione rivelatore: 45 mx 25 m n l’energia cinetica di. . . n n 29. 03. 2007 un protone a 7 Te. V = zanzara in volo fascio a 7 Te. V = Boeing 777 in decollo Mario Paolo Giordani 12

LHC dall’interno. . . 29. 03. 2007 Mario Paolo Giordani 13

Le collisioni elastiche n Collisione elastica: n n entrambi i protoni riemergono intatti dall’urto i protoni si comportano come particelle elementari molto frequente (elevata probabilità) effetti concentrati in direzione dei fasci 29. 03. 2007 Mario Paolo Giordani 14

Le collisioni anelastiche n Collisione anelastica: n n n disintegrazione dei protoni iniziali l’urto effettivo avviene fra due quark non tutta l’energia dei protoni partecipa all’urto nuove particelle possono emergere dall’interazione eventi più centrali 29. 03. 2007 Mario Paolo Giordani 15

I rivelatori di LHC CMS 29. 03. 2007 Mario Paolo Giordani 16

A Toroidal Lhc Apparatu. S (ATLAS) Lunghezza 44 m Diametro 22 m Peso http: //atlas. web. cern. ch/Atlas 7000 t Canali elettronica 108 150 istituzioni 1800 scienziati 29. 03. 2007 Mario Paolo Giordani 17

Interazioni radiazione-materia n Condizionano la risposta dei rivelatori n n ogni particella caratterizzata da una “firma” metodi di identificazione di particelle camere a muoni acciaio calorimetro adronico calorimetro elettromagnetico solenoide dispositivo di tracciatura jet quark & gluoni. 29. 03. 2007 e muoni Mario Paolo Giordani elettroni & fotoni neutrini 18

Il processamento del segnale 1000 particelle prodotte per evento eventi su nastro: 100 Hz eventi in entrata: 100 MHz 29. 03. 2007 Mario Paolo Giordani 19

La ricostruzione di un evento Tevatron: 2 Te. V 29. 03. 2007 LHC: 14 Te. V Mario Paolo Giordani 20

Analisi statistica dei dati n Gli eventi ricostruiti vengono analizzati n diverse variabili studiate su base statistica n quantità osservate comparate con la teoria n n massiccio uso delle tecniche di simulazione (Monte Carlo) Esempio: pp H ZZ µµµµ + Z H p p Z + diverse ipotesi di segnale fondi dominanti 29. 03. 2007 Mario Paolo Giordani 21

Alla ricerca del segnale n Quale segnale? n n In generale un’evidenza di collisione anelastica Ad esempio: Processo Eventi/s Eventi/y bb 106 1012 Z ee ~3 107 W e ~30 108 WW e X 10 -2 6 103 tt ~2 107 H(700 Ge. V) 2 10 -3 104 Oppure: un bosone di Higgs prodotto ogni 1011 eventi Come cercare un ago in un pagliaio. . . 29. 03. 2007 Mario Paolo Giordani 22

Cercando il bosone di Higgs. . . n n Il bosone di Higgs può manifestarsi in molti modi Lo stato finale dipende: n n n dal processo di produzione dal modo di decadimento “Canali dorati” (come pp H ZZ µµµµ) n stati finali difficilmente imitabili dal fondo solo tracce con p. T>25 Ge. V/c 29. 03. 2007 Mario Paolo Giordani 23

. . . che cosa impareremmo da LHC? n Ipotesi 1: il bosone di Higgs viene scoperto n n N-esima conferma del Modello Standard misura della sua massa n n misura delle sue proprietà n n nuova era di misure di precisione Ipotesi 2: il bosone di Higgs non si trova n n n è compatibile con i vincoli del modello? il Modello Standard va in crisi necessario studiare una nuova teoria In ogni caso: n n la fisica delle alte energie non finisce qui. . . e nemmeno il compito dell’LHC 29. 03. 2007 Mario Paolo Giordani 24

Oltre il Modello Standard n Il Modello Standard sopravvive dal 1967 n n Tuttavia, non è una vera teoria. . . n n numerosi parametri liberi per adattarsi alla realtà . . . né può considerarsi definitivo n n n innumerevoli test di precisione nessuna discrepanza significativa unico “problema”: bosone di Higgs ancora evanescente nessuna descrizione della gravità alcune perplessità teoriche ancora insolute Diverse idee per spingersi oltre 29. 03. 2007 Mario Paolo Giordani 25

La Supersimmetria n Prevede un ampliamento della simmetria n n Simmetria radiazione – materia Risolve i problemi del Modello Standard n n n Inoltre: n n ma richiede l’esistenza di una famiglia di bosoni di Higgs consente l’integrazione della gravità suggerisce una soluzione al problema della materia oscura unificazione delle forze come conseguenza robusta da un punto di vista teorico Tuttavia: n n 29. 03. 2007 spettro più che raddoppiato nessuno stato supersimmetrico è stato scoperto n la supersimmetria – se esiste – è violata Mario Paolo Giordani 26

Le extra-dimensioni n Prevede uno spazio con più di 4 dimensioni n n n Il Modello Standard vive nello spazio ordinario Solo la gravità penetra le extra-dimensioni Gravità intensa come le altre forze n n fattore di diluizione dovuto alle extra-dimensioni Prevede il gravitone (bosone mediatore della gravità) n 29. 03. 2007 interagisce con le particelle ordinarie Mario Paolo Giordani 27

La grande unificazione (GUT) 29. 03. 2007 Mario Paolo Giordani 28

La nuova frontiera n n n LHC: una vera macchina da scoperta Energia mai raggiunta prima Possibili eventi spettacolari n creazione e decadimento di un buco nero 29. 03. 2007 Mario Paolo Giordani 29