Le particelle elementari simmetrie nascoste e la caccia

Le particelle elementari, simmetrie nascoste e la caccia al bosone di Higgs Torino, Camplus - Lingotto 29 Novembre 2012 Nicolo Cartiglia -INFN Torino 1

Le particelle elementari La fisica delle particelle L’approccio riduzionista in fisica delle particelle ha portato a moltissimi progressi. Ogni ulteriore livello di “riduzione” porta con se` una grande quantità di informazioni, il passaggio da un livello a quello successivo avviene attraverso lo studio di regolarità che indicano la presenza di una sotto-struttura Oggi parliamo di quello che non sappiamo… del prossimo livello ? Nicolo Cartiglia -INFN Torino 2

Le particelle elementari Fondamentali: queste particelle sono ritenute senza struttura interna (anche se non è esclusa) Queste particelle si dicono “materia”, sono i costituenti della materia Queste particelle si dicono “messaggeri”, sono quelli che trasmettono le forze Nicolo Cartiglia -INFN Torino 3

Le particelle elementari Le forze: cariche ed intermediari Forza gravitazionale: Forza elettromagnetica: Forza forte: Caduta dei corpi, moto stellare… messaggero: gravitone carica: Massa/energia magneti, atomi, chimica… messaggero: fotone carica: elettrica (1 tipo) tiene uniti i protoni, i neutroni ed il nucleo anche se di carica uguale messaggero: gluone carica: colore (3 tipi) Forza debole: radioattività, attività solare … messaggeri: W e la Z carica: debole Nicolo Cartiglia -INFN Torino 4

Le particelle elementari Antimateria… L’antimateria è una concetto comune in fisica delle particelle, è come la carica negativa rispetto a quella positiva. Regola: se si creano delle particelle in laboratorio si ottiene tanta materia quanto anti-materia, tante cariche positive tante negative. Come elementi, per ora sappiamo fare solo l’anti-idrogeno e l’anti-elio Quando materia ed antimateria si incontrano, si annichilano Nicolo Cartiglia -INFN Torino 5

Le particelle elementari Come si creano le particelle in laboratorio? Attraverso urti tra particelle si possono creare altre particelle: l’energia delle particelle viene trasformata in materia! protone Einstein: E=mc 2 la massa si può trasformare in energia e viceversa. quark Si crea sempre materia ed antimateria in quantità uguali protone Nicolo Cartiglia -INFN Torino 6

Le particelle elementari Particelle e viaggi nel tempo Quando, come ad LHC, si scontrano particelle, si crea uno stato della materia che non esiste attualmente in nessun altro posto nell’universo. Le condizioni che si creano ad LHC sono esistite solo negli attimi iniziali dopo il Big. Bang. LHC ~ 10 -11 sec Nicolo Cartiglia -INFN Torino 7

Le particelle elementari Le particelle che avete visto fino ad adesso (quark, leptoni, messaggeri) vengono descritte da un modello matematico chiamato: Modello Standard Descrive moltissimi dati sperimentali con grande accuratezza Tuttavia ci sono cose che non sappiamo. Per esempio: Misteri: 1. Dov’è l’antimateria? 2. Dimensioni spaziali? 3. Di cosa è fatto l’universo? 4. Simmetrie nascoste: Il bosone di Higgs La ragione dell’esistenza del bosone di Higgs Nicolo Cartiglia -INFN Torino 8

Le particelle elementari 1 - Un problema ovvio Durante il big bang, cioè il momento iniziale del nostro universo, si è creata tanta materia quanta anti-materia, tuttavia abbiamo un ovvio problema: Dove è finita l’anti-materia? Imbarazzante: non abbiamo idea => Abbiamo perso il 50% delle particelle. . Nota: materia ed anti-materia non sono esattamente uguali: se lo fossero sarebbero scomparse entrambe nello stesso modo ed adesso ci sarebbe solo energia (questo problema si chiama “CP violation”, è una violazione di simmetria) Nicolo Cartiglia -INFN Torino 9

Le particelle elementari Digressione: Due problemi connessi 1) I quark ed i leptoni sono ripetuti 3 volte, ci sono 3 generazioni simili (ma non identiche) Non si sa perché… u c t d s b 2) Tuttavia: 3 generazioni è il numero minimo permettere una differenza tra materia ed anti-materia ne nm nt Quindi: e m t Se ci fossero solo 2 generazioni non saremmo qui poichè tutta la materia ed anti -materia si sarebbero annichilate. È la nostra esistenza una ragione sufficiente? Probabilmente no… Dato che non sappiamo perché ci sono 3 generazioni, stiamo cercando la quarta Nicolo Cartiglia -INFN Torino 10

Le particelle elementari 2 - Solo 3 dimensioni spaziali? Immaginiamo di vivere in un mondo a due dimensioni nel quale ci muoviamo solo su di un piano. Supponiamo inoltre che sia un tipo di temibili oggetti che vivono in 3 dimensioni, le SFERE. Le SFERE appaiono e scompaiono, senza nessuna possibilità di sapere dove arriveranno la prossima volta. . Nello stesso modo possiamo immaginare che ci siano della particelle che vivono in 4, 5… 12 dimensioni che appaiono e scompaiono nel nostro mondo. “String theory” predice 6 extra dimensioni Domanda: perché la gravità è così debole? (la risposta ha a che fare con extra dimensioni ? ? ) Nicolo Cartiglia -INFN Torino 11

Le particelle elementari 3 - Oscuri Segreti Abbiamo un altro problema: Quello che vi ho raccontato spiega solo il 5% dell’universo, questa volta abbiamo perso il 95% dell’universo Cosa sappiamo del 95% dell’universo? Sappiamo che c’è perché ne vediamo il suo effetto gravitazionale Il 22 -25% è costituito da ‘Dark Matter’: I. Non emette nessun tipo di radiazione elettromagnetica. II. Fa ruotare le galassie più velocemente III. Una possibilità è che contenga ‘particelle super-simmetriche’ Il 70 - 73% è composto da ‘Dark Energy’ 1. Riempie uniformemente tutto lo spazio 2. Aumenta la velocità di espansione dell’universo Nicolo Cartiglia -INFN Torino 12

Le particelle elementari 4 - Simmetrie Nascoste Le simmetrie della natura sono spesso “nascoste”, “rotte” da effetti che si sovrappongono. Esempio: le leggi della fisica sono simmetriche per rotazione. Sulla terra invece, a causa della gravità, questo non è vero. Si dice allora che la simmetria è nascosta (o rotta) dalla gravità. La simmetria esiste, ma non si vede più La ricerca di simmetria nascoste è il mestiere dei fisici teorici… Nicolo Cartiglia -INFN Torino 13

Le particelle elementari L’idea di Mr. Higgs Le particelle non hanno massa, e sono simmetriche tra loro Questa simmetria è “nascosta” (broken) dal fatto che il bosone di Higgs, interagendo con le particelle, le rende massive Nicolo Cartiglia -INFN Torino 14

Le particelle elementari La massa dei leptoni e quark Idea chiave: Il campo di Higgs si incolla alle particelle e crea la loro massa La massa è una proprietà che viene acquisita attraverso l’interazione con il bosone di Higgs: sembrano avere massa perché interagiscono con il bosone di Higgs e diventano più difficili da spostare. Nicolo Cartiglia -INFN Torino 15

Le particelle elementari Nota Bene Il campo di Higgs è assolutamente fondamentale per completare la costruzione del modello standard. La prova dell’esistenza del campo di Higgs è la misura della particella di Higgs “h”, associata al campo di Higgs. Il fotone è la più piccola quantità del campo elettromagnetico. La particella di Higgs h è la più piccola quantità del campo di Higgs Bisogna assolutamente trovare il bosone di Higgs Nicolo Cartiglia -INFN Torino 16

Le particelle elementari Problemi successivi L’origine della particella di Higgs L’esistenza della particella di Higgs fa si che il modello matematico sia inconsistente. Molte delle inconsistenze si risolvono introducendo un’ulteriore simmetria nascosta: la supersimmetria La “Supersimmetria” crea una simmetria tra particelle fermioniche (spin frazionario) e bosoniche (spin intero) ogni particella esiste sia nella versione fermionica che bosonica. Nicolo Cartiglia -INFN Torino 17

Le particelle elementari La Supersimmetria Secondo la supersimmetria quindi dobbiamo trovare: - Quark e leptoni che sono bosoni (s-quark, s-lepton) - Gluoni, fotoni che sono fermioni Dato che è una simmetria deve capitare: massa dei quark = massa s-quark massa dei leptoni = massa degli s-leptoni Non abbiamo mai trovato s-quark o s-leptoni, quindi la loro massa è molto più grande dei loro fratelli fermionici. Questo vuol dire che la supersimmetria è rotta, nascosta da qualche cosa… Nicolo Cartiglia -INFN Torino 18

Le particelle elementari Riassunto : 2 simmetria nascoste L’universo è fatto (forse) da particelle supersimmetriche si presentano sia nello stato bosonico che fermionico, tutte a massa nulla (elettrone con spin = 0 ed ½). ? ? La supersimmetria è rotta da qualche cosa che non sappiamo, che agisce sulle particelle bosoniche e le fa sparire (molto pesanti? ? ) Le particelle fermioniche sono ancora senza massa Higgs La simmetria è rotta dal campo di Higgs IPOTESI Misurato Le particelle fermioniche hanno massa “piccola” (<200 Ge. V) le particelle bosoniche sono molto pesanti (~ 500 -1000 Ge. V) È vero? ? ? E perche’? Nicolo Cartiglia -INFN Torino 19

Le particelle elementari Una particella esasperante: il bosone di Higgs Gran parte della comunità scientifica ritiene l’esistenza del bosone di Higgs molto probabile, e la sua ricerca è alla base del più grande esperimento scientifico mai costruito. Come lo si cerca? Per prima cosa bisogna farlo…. Noi non sappiamo quanto pesa, per cui per 20 anni si è sperato di trovarlo ogni volta che un nuovo acceleratore veniva acceso…ma invano. LHC è così potente che, se esiste, lo facciamo di sicuro Nicolo Cartiglia -INFN Torino 20

Le particelle elementari Come si fa un bosone di Higgs? La teoria ci dice quali sono i meccanismi di produzione: • Si parte da due protoni • due “costituenti” si fondono, e si forma l’Higgs Nicolo Cartiglia -INFN Torino 21

Le particelle elementari Per i curiosi Nicolo Cartiglia -INFN Torino 22

Le particelle elementari Che probabilità ha di crearsi un bosone di Higgs? Urto protone-protone Si riesce a fare un bosone di Higgs una volta ogni 1012 urti… Nel modo in cui funziona LHC adesso, si fa circa un Higgs ogni ora (secondo la teoria attuale). 10 -12 Urto protone-protone che fa un Higgs Nicolo Cartiglia -INFN Torino 23

Le particelle elementari Come facciamo a vederlo? L’Higgs decade subito in altre particelle: dobbiamo misurare la massa di coppie bb, oppure WW, ZZ, …, gg, e vedere se hanno la stessa massa. Nicolo Cartiglia -INFN Torino 24

Le particelle elementari fo to ne one t o r p fo to tone ne pro E’ o non è un “Higgs gg” ? Evento misura a CMS a Giugno 2011 Nicolo Cartiglia -INFN Torino 25

Le particelle elementari E’ o non è un “Higgs 4 muoni” ? on mu e on t o r e p ne o u m e e n uo on mu ne o t pro m Evento misura a CMS Agosto Nicolo Cartigliaad -INFN Torino 2011 26

Le particelle elementari ne ttro elettr ne e ele ttr on e elettron E’ o non è un “Higgs 4 elettroni” ? Evento misura a CMS ad agosto 2011 Nicolo Cartiglia -INFN Torino 27

Le particelle elementari Segnale e fondo Supponiamo di vedere in uno scontro due fotoni nello stato finale. - Segnale: È possibile che siano dovuto al decadimento dell’Higgs H gg - Fondo: È molto probabile che sia dovuti ad altre cose. Bisogna fare un’analisi statistica per capire se si vede un segnale o no. Nicolo Cartiglia -INFN Torino 28

Le particelle elementari Coppie di fotoni Se le coppie di fotoni: sono casuali, allora la loro massa non ha un valore fisso. vengono dal decadimento dell’Higgs, allora hanno tutte la stessa massa: Mgg = MHiggs Nicolo Cartiglia -INFN Torino 29

Le particelle elementari Cosa può capitare? Segnale Higgs forte: Se il segnale è molto grande, lo si vede facilmente: Stoccolma Time!!!! Nicolo Cartiglia -INFN Torino 30

Le particelle elementari Cosa può capitare? Segnale Higgs nullo: Se il segnale è non c’è: Coffe Time!!!! Nicolo Cartiglia -INFN Torino 31

Le particelle elementari Cosa può capitare? Segnale Higgs incerto: Se il segnale è dubbio: Statistic Time!!!! Nicolo Cartiglia -INFN Torino 32

Le particelle elementari Separazione Segnale - Fondo Bisogna valutare la probabilità che il “fondo”, cioè eventi casuali, creino dei falsi segnali, cioè degli agglomerati di eventi tutti con la stessa massa, ma che non sono dovuti all’Higgs Questo lo si fa introducendo il p-value: p-value = probabilità che il fondo generi un numero di eventi uguale o più alto di quelli visti “ Nicolo Cartiglia -INFN Torino 33

Le particelle elementari P-value per una distribuzione di Poisson Supponiamo di aspettarci 100 eventi, e ne vediamo 100, 110, 120… Che probabilità ha l’ipotesi nulla (niente Higgs) di essere corretta? Valore Atteso Valore Misurato P-Values 100 0. 51 100 110 0. 17 100 120 0. 028 100 130 0. 0023 Molto probabile Poco probabile Nel bin misuro 110 eventi, vado o non vado a Stoccolma? NO Nicolo Cartiglia -INFN Torino 34

Le particelle elementari ATLAS CMS Due piccoli picchi, nello stesso posto: 125 Ge. V Ed adesso? Si aspetta… Nicolo Cartiglia -INFN Torino 35

Le particelle elementari E ad altri valori della massa? La ricerca dell’Higgs è fatta per tanti ipotetici valori di massa, da circa 110 a 600 Ge. V. Per tutti i valori, tranne ~126 Ge. V, l’ipotesi nulla (che non ci sia Higgs) ha un p-value alto, cioè funziona bene. Questo fatto ci permette di dire che tutte le masse, tranne 120 -127 Ge. V, sono escluse. Nicolo Cartiglia -INFN Torino 36

Le particelle elementari Per concludere: è proprio l’Higgs od un’altra particella? La teoria ci dice con grande precisione con che frequenza si produce l’Higgs ed in cosa decade. Mr Higgs Not Mr Higgs Nei prossimi anni possiamo constatare se quello che abbiamo visto è l’Higgs o qualche altra meraviglia della natura Nicolo Cartiglia -INFN Torino 37