La ricerca del bosone di Higgs e lesperimento

La ricerca del bosone di Higgs e l’esperimento ATLAS Silvia Ventura INFN - LNF 05/10/2005

Sommario Ø Il Modello Standard Cos’e’? I successi del Modello Standard Cosa manca? Ø Come si producono le particelle? L’acceleratore LHC del CERN Ø Come si “vedono” le particelle? I tracciatori I calorimetri Ø L’ esperimento ATLAS Un esempio di analisi: H 4

Il Modello Standard (MS) Il Modello Standard è la teoria fisica che riassume tutte le attuali conoscenze nel campo delle particelle elementari e delle forze che ne regolano le interazioni fondamentali. Una particella e’ elementare se non e’ composta da altre particelle! PER QUANTO NE SAPPIAMO OGGI… …le particelle elementari, ossia i costituenti fondamentali della materia sono 12. 6 leptoni (divisi in 3 famiglie) 6 quark (divisi in 3 famiglie) + 12 anti-particelle! Le particelle di materia sono FERMIONI ossia particelle di spin 1/2

Le interazioni fondamentali sono 4, sono il risultato dello scambio dei cosi detti “MEDIATORI” dell’interazione, BOSONI (spin=1) Interazione sensibile a bosone mediatore intensita’ raggio d’azione ELETTROMAGN. carica elettrica leptoni carichi + quark fotone 10 -2 infinito DEBOLE carica debole o “sapore” leptoni + quark W+, W-, Z 0 10 -13 10 -15 FORTE carica forte o “colore” quark 8 gluoni 1 10 -13 GRAVITAZIONALE massa trascurabile per tutte le gravitone particelle elementari 10 -38 infinito Electromag.

. . . e le altre particelle? Particelle composte da 3 quark sono dette BARIONI Alla fine degli anni 60 erano state scoperte circa 50 particelle, troppe per essere tutte elementari! In realta’ si trattava di particelle composte da quark legati: gli ADRONI! Secondo la QUANTOCROMODINAMICA i quark non possono esistere come particelle libere ma si combinano in modo da formare particelle neutre dal punto di vista del colore! Particelle composte da 2 quark sono dette MESONI

Le masse dei fermioni Q U 0. 003 A 1 R K S 0. 006 L E P 0. 0005 T O N » 0 I u up 1. 5 c charm 175 t 4 b top Gev ~ protone d down e elettrone ne neutrino e 0. 12 s strange 0. 105 muone » 0 n neutrino 1. 8 » 0 bottom tau n neutrino

L’origine delle masse: il bosone di Higgs Nel 1968 S. Weinberg, A. Salam e S. Glashow crearono una teoria di campo secondo la quale l’interazione elettromagnetica e quella debole sono in realta’ manifestazioni diverse di un’unica interazione: l’interazione elettrodebole. Ma allora perche’ m =0 e m. Z 0=90 Ge. V? Nel Modello Standard l’origine delle masse viene spiegata tramite la rottura spontanea della simmetria elettrodebole a opera di un campo scalare: il campo di Higgs. Le masse dei quark, dei leptoni e dei bosoni vettori deboli sono tutte interpretate come il risultato dell'interazione con il campo di Higgs. mf/v m. H 2 /v ? m 2 W, Z /v m 2 H /v 2

La massa del bosone di Higgs! Il bosone di Higgs e’ l’ultimo tassallo mancante del Modello Standard… l’unica particella predetta dal Modello Standard che non sia ancora stata osservata! Se esiste, quanto vale la massa dell’Higgs? Da misure sperimentali indirette (misure di precisione sui parametri elettrodeboli a LEP 2, Tevatron, SLAC) si ha : MH<251 Ge. V/c 2 (95% C. L. ) Da ricerche sperimentali dirette (misura combinata degli esperimenti di LEP 2) si ha: MH>114. 4 Ge. V/c 2 (95% C. L. )

I successi del Modello Standard Tutte le misure effettuate fino ad oggi da numerosi esperimenti in tutto il mondo, sono consistenti con le predizioni di questo modello 1984 : Scoperta dei Bosoni vettori W e Z 0, all’esperimento UA 1 al CERN Nobel Carlo Rubbia Dalla misura della larghezza dello Z 0 si e’ avuta anche conferma che le famiglie di quark sono 3! 1995 : Scoperta del quark top

I limiti del Modello Standard Troppi parametri liberi. Perche’ ci sono tre generazioni di quark e tre di leptoni? Perche’ le masse sono cosi diverse? Il Modello standard non comprende la descrizione della gravita’. Non fornisce una spiegazione per la cosi detta materia oscura. Il problema della gerarchia: assumendo che il MS abbia un Higgs di 200 Ge. V e che sia valido fino a scale dell’ordine L 10 Te. V, la massa dell’Higgs riceve correzioni dovute a loop al secondo ordine quadraticamente divergenti: Il Modello Standard funziona bene a basse energie! Tuttavia il Modello Standard e’ e rimane uno dei grandi successi della fisica delle particelle elementari!!!

Come si producono le particelle? Le particelle vengono prodotte facendo urtare particelle tra loro a energie molto elevate. si puo’ modificare l’energia, impulso e direzione delle particelle incidenti E E o, se si ha abbastanza energia (E=mc 2) , creare nuove particelle Esperimenti a targhetta fissa: E = sqrt(Ebeam) = 29 Ge. V Esperimenti a fasci collidenti: E = 2 Ebeam = 900 Ge. V

The Large Hadron Collider LHC è un anello di 4. 3 Km di raggio (27 Km di circonferenza), dove saranno accelerati e fatti collidere frontalmente, in quattro zone di interazione, fasci di protoni con energia di 7 Te. V, ossia un energia circa un milione di volte quella che lega fra loro i protoni nel nucleo. Quando sara’ finito LHC sara’ l’acceleratore piu’ grande e potente del mondo!

The Large Hadron Collider Energia dei fasci 7 Te. V Numero di bunch 2835 Protoni in un bunch 1011 Frequenza di Bunch Crossing 40 MHz una ogni 25 ns Interactioni/Crossing 23 Luminosita’ low: high: 2 x 1033 cm-2 s-1 1034 cm-2 s-1

Come si vedono le particelle? Le particelle vengono rivelate facendole interagire con opportuni materiali. Date le caratteristiche specifiche delle diverse particelle, i rivelatori moderni sono costituiti da una struttura “a cipolla” in cui ogni strato e’ ottimizzato alla rivelazione di una particolare classe di particelle.

Rivelatori di particelle (1) TRACCIATORI m, P, E + - B CALORIMETRI m, P, E m, P 1, E 1 q. Un tracciatore determina la traiettoria delle particelle cariche q. Se immerso in un campo magnetico B si riescono a determinare anche la carica Q ed il momento P q. La particella subisce una minima perdita d’energia nel sistema q. Un calorimetro misura invece l’energia che la particella rilascia al suo interno q. In questo caso la particella viene quasi completamente assorbita q. Il segnale è proporzionale alla sua energia: S=KE

I tracciatori Per determinare la traiettoria di una particella carica si usano generalmente rivelatori a gas. Con rivelatore a gas si intende una regione di spazio riempita da un gas compresa tra due elettrodi cui e’ applicata una differenza di potenziale. IONIZZAZIONE: gli urti con gli atomi del gas fanno si che si crei una coppia ione-elettrone “ionizzazione primaria”, un elettrone primario a sua volta, se sufficientemente energetico puo’ urtare altri atomi e liberare elettroni secondari “ionizzazione secondaria”. PERDITA DI ENERGIA PER IONIZZAZIONE _ elettroni _ ioni particella _ _ carica _ _ _ d. E dx + + + + = -4 p NAre 2 me c 2 z 2 Z Ab 2 1/2 ln 2 me c 2 2 b 2 I 2 Tmax - b 2 - d 2

Un esempio di tracciatore: la camera a fili di KLOE La camera a fili di KLOE e’ costituita da 12582 fili sensibili e 38622 fili di campo!!!! E’ immersa in un campo magnetico solenoidale che curva le tracce sul piano trasverso ai fasci collidenti!

Calorimetri elettromagnetici (1) I calorimetri elettromagnetici rivelano elettroni, positroni e fotoni al di sopra dei 100 Me. V circa. In tali rivelatori si sfrutta l'assorbimento dell'energia degli sciami elettromagnetici prodotti dalla radiazione incidente X 0 = LUNGHEZZA DI RADIAZIONE, distanza entro la quale un fotone crea una coppia e+e-, e un elettrone emette un fotone. Per ogni X 0 il numero di particelle raddoppia, l’energia di ognuna dimunuisce di un fattore 2: Il processo va avanti fino a quando E>Ec. E 0

Calorimetri elettromagnetici (2) Calorimetri omogenei: tutto il materiale e’ sia assorbitore che parte attiva l’energia misurata e’ tutta quella depositata buona risoluzione in energia Ee S Calorimetri eterogenei: strati alternati di materiale assorbitore e materiale attivo l’energia misurata non e’ tutta quella rilasciata buona risoluzione spaziale I calorimetri adronici misurano l’energia rilasciata dagli adroni al loro interno per interazioni con materiali pesanti Hanno dimensioni maggiori dei calorimetri em perche’ gli sciami adronici hanno dimensioni maggiori! , 0 EM n, p, , K HAD

IL RIVELATORE ATLAS spettrometro a muoni calorimetro elettromagnetico solenoide calorimetro in avanti toroide dell’endcap 23 m toroide del barrelrivelatore interno 46 m calorimetro adronico schermatura dalle radiazioni

Il tracciatore interno di ATLAS (1) PIXEL VERTEX DETECTOR 3 strati di pixel di silicio (50 x 300 e 50 x 400 m 2), con risoluzione per punto ~10 m (trasversale) e ~75 -100 m (longitudinale) SEMI CONDUCTOR TRACKER 4 doppi strati di microstrip di silicio (passo 80 m, angolo stereo 40 mrad), con risoluzione ~20 m (trasversale) e ~550 m (longitudinale) TRANSITION RADIATION TRACKER Con doppia funzione di rivelatore di particelle cariche e della radiazione di transizione emessa dagli elettroni. i rivelatori devono avere una grande granularità perchè la probabilità di avere due particelle sullo stesso elettrodo (occupancy) sia ridotta sotto pochi percento

Il calorimetro elettromagnetico di ATLAS Calorimetro a campionamento assorbitore di Pb (2. 1 mm) materiale sensibile Argon liquido elettrodi di kapton per raccogliere il segnale prodotto dalla ionizzazione dell’Argon Ermeticità: la geometria con elettrodi e assorbitori piegati a ‘fisarmonica’ garantisce una copertura totale senza zone morte nella coordinata azimutale

Il calorimetro elettromagnetico di ATLAS Un fotone visto dal calorimetro di ATLAS …e un elettrone…

Lo Spettrometro a muoni di ATLAS (2) q. P : misura della curvatura del muone in campo magnetico attraverso tre stazioni di misura: Inner – Middle – Outer q. Le stazioni per il tracciamento sono arrangiate in 3 strati cilindrici nel barrel e 3 ruote piane negli endcap. q. Ogni stazione fornisce la misura della traiettoria del muone con una precisione di ~40 m R -track Middle Outer Middle Inner -track Z ALCUNI NUMERI: Numero totale di camere Numero di canali di elettronica Volume del gas Area complessiva Siti di produzione delle camere 1194 370000 800 m 3 5500 m 2 13 (in 7 paesi)

Le camere MDT (Monitored Drift Chambers) Una camera MDT consiste di 6 (8 nella stazione interna) strati di tubi a deriva. Gli strati sono organizzati in due “multilayer” separati da un supporto. Diameter: 30 mm Thickness: 400 m Lenght: da 70 a 630 cm Wire thickness: 50 m Gas: Argon 93% CO 2 7% HV: 3080 V Proportional regime Gain: 2× 104 Gas pressure: 3 bar 20 m di tolleranza sulla posizione dei fili all’interno della camera I Laboratori Nazionali di Frascati hanno dato un contributo fondamentale sia alla progettazione che alla costruzione delle camere MDT di ATLAS. 94 camere della stazione centrale del barrel sono state costruite in questi laboratori!

Misura di posizione (1) La misura della posizione in cui e’ passata la particella ionizzante e’ data dalla misura del tempo tra l’istante in cui la particella e’ passata e l’istante in cui si genera il segnale sul filo. tmis=tder+tprop+t 0 tder = tempo di drift degli elettroni di ionizzazione tprop = tempo di propagazione del segnale lungo il filo t 0 = serve a equalizzare il tempo misurato nei vari canali t 0 inizio dello spettro dei tempi, indipendente dalle caratteristiche di drift del tubo Comprende i ritardi dell’elettronica di lettura in generale e’ diverso da tubo. SPETTRO DEI TEMPI t 1 fine dello spettro dei tempi, dipendente dalle caratteristiche di drift del tubo

Misura di posizione (2) Raggi (mm) La misura di tempo viene in seguito convertita in misura di posizione tramite la conoscenza di una relazione spazio-tempo, ossia conoscendo la VELOCITA’ di deriva. Tempi (ns) Problema: non si conosce esattamente la velocita’ degli elettroni nel gas. Viene determinata tramite un processo di AUTOCALIBRAZIONE

AUTOCALIBRAZIONE Metodo per calcolare la R-T relation usando la traccia stessa. 1. Si misurano tre tempi, tmis 2. Si usa una R-T di partenza e si ottengono tre raggi, rmis = R(tmis) ossia tre “cerchi di deriva” 3. Si cerca la “miglior retta” tangente ai tre cerchi 1. 4. Si calcolano i residui: DR = Rmis(t) – Rfit 5. Si corregge la R-T di partenza con il valore medio dei residui per ogni intervallo di raggio. 1. 2. 6. La R-T corretta viene usata per calcolare nuovi cerchi di deriva. 3. 4. 5. 6. 7. La sequenza viene ripetuta in modo iterativo finche non si ottiene una precisione di 20 m. Rfit Rmis

Risoluzione spaziale Il singolo tubo riesce a determinare la posizione in cui e’ passata la traccia con una precisione media di 80 m RISOLUZIONE nella MISURA dell’IMPULSO La risoluzione sulla misura dell’impulso e’ influenzata da: 1. 2. Fluttuazioni sulla perdita di energia rilasciata nei materiali prima dello spettrometro (pt<20 Ge. V) Contributo del multiplo scattering (20 Ge. V<pt<300 Ge. V ) 3. Risoluzione sul singolo punto, calibrazione, allineamento delle camere (pt>300 Ge. V) Total Intrinsic MS E-loss

Produzione dell’ Higgs a LHC Fusione gluone-gluone Fusione dei Bosoni Vettori (VBF) Bremsstrahlung di W /Z Produzione associata a quark pesanti (t/b) NLO QCD Il processo dominante e’ la fusione g-g, per MH< 2 MZ il processo VBF costituisce il 20% della sezione d’urto totale

Il potenziale di scoperta dell’Higgs di ATLAS Signal significance: rapporto tra il numero di eventi di segnale e la radice del numero di eventi di fondo Ad ATLAS il canale piu’ promettente per la scoperta dell’ Higgs e’: H ->ZZ*-> 4 con 130 Ge. V ≤ m. H < 2 m. Z

Come si studia un canale di fisica? (1) + q Scegliamo un canale da studiare (H ZZ 4 ) Z 0 H + Z 0 q Studiamone le caratteristiche: lo stato finale contiene 4 muoni complessivamente neutri 2 muoni vengono da uno Z 0 e altri 2 da un altro Z 0 le due Z 0 derivano dall’Higgs la massa invariante del sistema dei quattro muoni sara’ uguale alla massa dell’Higgs!!! q Simuliamo gli eventi del canale da studiare per valutare l’efficienza di ricostruzione e la risoluzione sui parametri da misurare. Studiamo come il nostro rivelatore “vede” l’evento. q Studiamo TUTTE le possibili reazione che possono produrre eventi di fondo per il nostro segnale, ossia tutti i processi che danno luogo a 4 muoni come il nostro segnale.

Come si studia un canale di fisica? (2) Il fondo riducibile : Zbb 4 µ e tt Wb. Wb 4 Il fondo irriducibile: ZZ* 4 e ZZ* 2 2 4 processi che generano 4 muoni, ma non solo (in questo caso ci sono anche due quark b!) processi che generano 4 muoni e basta…esattamente come il segnale! I fondi riducibili sono facilmente separabili dal segnale, Per i fondi irriducibili cerchiamo di identificare tutte le variabili (distribuzioni angolari, distribuzioni in impulso, masse invarianti…ecc ecc) che sono diverse per il segnale e per i fondi, ossia… q. Ottimizziamo i criteri di selezione degli eventi in modo da aumentare il rapporto segnale/fondo (senza restare senza segnale!)

H ->ZZ*-> 4 Variabile usata per lo studio del canale H ->ZZ*-> 4 : MASSA INVARIANTE dei 4 … PRIMA DELL’ANALISI… Signal ZZ 4 ZZ 2 2 t ttbar Zbb All channels DOPO L’ANALISI… All channels

Sommario Gli esperimenti della fisica delle particelle elementari sono diventati via piu’ complessi: grandi dimensioni, frequenza degli eventi, numero di persone partecipanti agli esperimenti! La comunità delle alte energie mondiale sta facendo un salto di qualità enorme con la realizzazione di questi apparati. Stiamo per esplorare zone finora inesplorate, e speriamo di trovare oltre alle conferme che cerchiamo per le cose note. . . anche tante sorprese!!!

RISERVA

I decadimenti dell’ Higgs Range di basse masse (MH<130 Ge. V) H bbar e H Range intermedio (130<MH<2 MZ) Range di alte masse (MH>2 MZ) H WW* lnln e H ZZ* 4 lep H WW lnjj H ZZ 4 lep

THE ALIGNMENT SYSTEM An optical system consisting of four RASNIK sensors is incorporated into the chamber structure to monitor the chamber positions in order to correct the track parameters. CCD lens Axial lines (RASNIK) mask Projective lines (RASNIK) PERFORMANCE: < 40 m on sagitta error due to chamber misalignment q. RASNIK technology: measure the relative position of a lens between a CCD and a target mask (optical line)

I calorimetri di ATLAS

I tracciatori (3) A: non tutta la carica e’ raccolta ricombinazione. B: camera a ionizzazione, la carica raccolta è tutta quella prodotta. C: contatori proporzionali, il campo elettrico è sufficien= temente intenso (105 V/cm) da far acquistare agli elettroni primari energia cinetica sufficiente a ionizzare a loro volta il gas, moltiplicazione a valanga. La carica raccolta e’ proporzionale alla ionizzazione primaria. Si definisce guadagno del gas il rapporto: G = n/n 0 ~ 103, 104 Il limite sul guadagno e’ di 108 al di sopra del quale si perde proporzionalita’. D: proporzionalita’ limitata, le cariche prodotte nel gas creano un campo elettrico che si oppone a quello esterno (diminuendo il campo si favorisce la ricombinazione), perdita di proporzionalita’ per effetti quantistici (estrazione di elettroni dal catodo, fotoelettrico da parte di fotoni di diseccitazione) E: Geiger-Muller, la carica raccolta non è più proporzionale alla ionizzazione primaria; l’eccitazione e la successiva diseccitazione del gas produce una serie di scariche danno luogo a valanghe distribuite su tutto il rivelatore.

Rivelazione di fotoni, elettroni e positroni La rivelazione di fotoni, elettroni e positroni si basa sulle loro proprieta’ di interazione con la materia: Un fotone intergaisce con la materia secondo tre meccanismi: e- 1) Effetto foto-elettrico X- X 2) Diffusione Compton q e 3) Produzione coppie e+ e. La creazione di coppie avviene solo per energie maggiori di 2 me ed è il fenomeno dominante per E > 20 Me. V. Z Un elettrone intergaisce con la materia secondo due meccanismi: 1) ionizzazione 2) bremsstrahlung Ec e Gli elettroni irraggiano fotoni finchè la loro E non diventa minore dell’energia critica Ze e

MWPC (Camera Proporzionale a Molti Fili) x z d Ar 80% Isobutano 24. 5% Freon 0. 5% Spaziatura tra anodi (d) è 1 – 2 mm Coordinata Z si determina con: - piani incrociati di fili - divisione di carica - tempo di arrivo (delay line) - induzione su strisce catodiche segmentate ITC (ALEPH) Inner Tracking Chamber Risoluzioni migliori: x 100 m, z 2 -3 mm

La fisica di ATLAS I goal principali dell’esperimento ATLAS sono: q Scoperta del bosone di Higgs dello Standard Model attraverso il “golden channel” H ZZ* 4 , canale dominante per m. H>130 Ge. V q. Scoperta dei bosoni di Higgs dello MSSM (Minimal Supersimmetric Standard Model) attraverso il canale H/A q New Vector Bosons (Z’, W’): Scoperta di nuove bosoni vettori di masse molto elevate, fino a qualche Te. V; q Altro: B-physics, top-physics, EW physics… Molti dei canali di fisica piu’ interessanti comprendono muoni nello stato finale, importante raggiungere ottime capacita’ di misura dell’impulso di muoni energetici!!!

Lo Spettrometro a muoni di ATLAS (1) q buona risoluzione nella misura dell’impulso migliore del 10% nell’intervallo tra 3 Ge. V e 1 Te. V CAMPO MAGNETICO toroidale in aria (minimizza multiplo scattering) RIVELATORI DI POSIZIONE: ottima risoluzione sul singolo punto (80 m) 3 stazioni di misura q capacità di trigger su eventi con uno o più in un vasto range di p. T (6 Ge. V, Te. V); TRIGGER con camere apposite resistive plate chambers con ottima risoluzione temporale 1 -2 ns q resistenza ad un alto flusso di radiazioni. In atlas si contera’ un background fisico dovuto a neutroni, fotoni e particelle cariche di circa (10 -100) KHz/cm 2

ATLAS PIXEL…

ATLAS TRT: Modulo del Barrel piastra di supporto e allineamento matrice di radiatore straws contenitore in fibra di carbonio zoom della parte terminale di un modulo

Rivelatori di particelle (2) EFFICIENZA: probabilità che una particella venga rivelata una volta che essa penetra nel volume sensibile del rivelatore, ossia il rapporto e = NR NI tra il numero di particelle segnalate dal rivelatore e il numero di particelle incidenti. RISOLUZIONE: la risoluzione di un rivelatore è legata alla capacità di distinguere valori differenti della grandezza da misurare. Una quantità frequentemente usata per caratterizzare la risoluzione è la larghezza a metà altezza della distribuzione di interesse. FUNZIONE DI RISPOSTA: la grandezza da determinare G e’ legata alla grandezza misurata M da una relazione funzionale del tipo G = f(M, Ki) che dipende da parametri Ki = costanti di calibrazione del rivelatore. CALIBRARE un rivelatore vuol dire cercare di avere la stessa risposta dal rivelatore alla stessa sollecitazione!