P Morettini Strumenti e metodi per la scoperta

P. Morettini Strumenti e metodi per la scoperta del bosone di Higgs a LHC Parte I Paolo Morettini - Liceo Grassi 28/4/2014 1

LHC (Large Hadron Collider) è un acceleratore di protoni in funzione al CERN. Utilizzato da migliaia di fisici di tutto il mondo, che lavorano in quattro esperimenti. È costato 3 miliardi di euro, e servono 20 milioni all’anno per pagare la bolletta elettrica (consuma 120 MW, cioè come l‘intero cantone di Ginevra). Ha consentito la scoperta del bosone di Higgs nel 2012. Paolo Morettini - Liceo Grassi 28/4/2014 2

Perché LHC? Perché l’Higgs? Cercheremo di rispondere a queste legittime domande (LHC è finanziato integralmente con denaro pubblico) facendo un po’ di luce sugli aspetti chiave di questo tipo di ricerca scientifica: Cosa si fa La Fisica delle Particelle Come si fa I rivelatori di particelle Problemi da risolvere Cosa si spera di scoprire Ricadute tecnologiche Possibili benefici per la società Paolo Morettini - Liceo Grassi 28/4/2014 3

Cosa si fa Come è fatta la materia? La materia che ci circonda è fatta di atomi, che, a dispetto del nome, sono facilmente divisibili. Da un punto di vista particellare sono fatti di elettroni, protoni e neutroni. Quindi tre sole particelle, di cui due nemmeno elementari, compongono la totalità delle cose che ci circondano. Elettrone Paolo Morettini - Liceo Grassi Protone 28/4/2014 Neutrone 4

Voilà. Tutto fatto? Paolo Morettini - IISS Liceti 17/3/2014 5

La luce Oltre alla materia, fatta di atomi, in nostro mondo è fatto di luce. Noi pensiamo subito alla luce visibile, come quella che viene dal sole. Ma ci sono le onde radio, o i raggi x, che sono tipi diversi di luce. Paolo Morettini - IISS Liceti 17/3/2014 6

La luce e i fotoni Ora, anche se macroscopicamente il comportamento è quello di un onda, microscopicamente tutti i tipi di luce sono fatti da una particella detta fotone (g). Al crescere dell’energia, i fotoni assumono varie forme. Paolo Morettini - IISS Liceti 17/3/2014 7

Composizione della materia Leptoni e Adroni p - Elettrone Protone n Neutrone Fotone – mediatore della forza EM g Paolo Morettini - Liceo Grassi 28/4/2014 8

Tutto qui? Fin dall’inizio del Novecento si è capito che esistevano molte altre particelle per lo più instabili: p Pione K Kaone h Eta p n Protone Neutrone E uno studio più sistematico ha chiarito che molte non erano affatto elementari, ma composte da particelle più piccole, dette quarks. L Lambda U U u d Mesone (p) Barione (P) Paolo Morettini - Liceo Grassi d 28/4/2014 9

Il Modello Standard Leptoni m e - - Elettrone n Muone Quarks t u - Tau Up C Charm t Top n m e Neutrino m Fotone – mediatore della forza EM g nt d Neutrino t Down Bosoni W e Z – mediatori della forza debole Z W- W+ S Strange Bottom Gluoni – mediatori della forza forte g 0 Paolo Morettini - Liceo Grassi b 28/4/2014 10

Il Modello Standard I leptoni sono particelle elementari Quarks sensibili all’interazione e m t elettromagnetica e debole, ma non t a quellau forte. C Elettrone, muone e tau hanno Elettrone Muone Tau Charm Top masse Upprogressivamente crescenn n ti. Solod l’elettrone è stabile. m S b nt e I neutrini a lungo ritenuti privi di Neutrino massa, in realtà masse Downhanno. Strange Bottom e m t molto piccole (pochi e. V). Hanno una scarsa capacità di interagire con la materia, quindi risultano Fotone – mediatore della Bosoni W e Z – mediatori Gluoni – mediatori della difficili da studiare. forza EM della forza debole forza forte Ogni leptone possiede una Z g + 0 corrispondente antiparticella, di W g W carica elettrica opposta. Leptoni Paolo Morettini - Liceo Grassi 28/4/2014 11

Il Modello Standard La cui non si osservano I ragione quarks per sono particelle che Leptoni quark liberidella ma interazione solo aggregati di risentono forte, quarks (adroni) legatat ad una oltre -e che di-mè quella - elettroproprietà delle interazioni forti magnetica e debole. Hanno carica detta. Elettrone ”confinamento”. Di. Taufatto se Muone frazionaria (2/3 la riga sopra e -1/3 si tenta di spaccare un adrone il n n forte. Anche quella sotto). i quarks hanno campo diventa talmente m e t le corrispondenti antiparticelle. intenso da permettere la ncreazione Neutrino di nuove coppie quark-antiquark e e t la generazione dimnuovi adroni. Esiste una grande varietà di adroni. Si distinguono in mesoni (fatti da due quarks, come il p ed il k) e barioni (fatti da tre quarks come il protone ed il neutrone). Quarks u Up d Down Paolo Morettini - IISS Liceti C Charm S Strange 17/3/2014 t Top b Bottom 12

Il Modello Standard In meccanica quantistica relativistica anche le. Quarks interazioni sono mediate da particelle. Nel Modello Standard la minima interazione consiste u t nello C scambio di un mediatore (quanto). Interazioni più complesse Up Charmmediatori. Top possono comportare lo scambio simultaneo di più La trattazione di interazione elettromagnetica e debolebnel MS d S è unificata, per cui si parla di interazione elettro-debole. Down Fotone – mediatore della forza EM g Bosoni W e Z – mediatori della forza debole Z W- W+ Strange Gluoni – mediatori della forza forte g 0 Paolo Morettini - Liceo Grassi Bottom 28/4/2014 13

Il Modello Standard Formalizzato negli anni ‘ 60, il MS descrive in modo probabilistico le interazioni tra le particelle elementari, in un ambito quanto-relativistivo. Massa ed energia sono equivalenti (E=mc 2), quindi è possibile creare e distruggere particelle: jet adronico e + e - g, Z 0 b b Energia e q + q jet adronico e - Paolo Morettini - Liceo Grassi 28/4/2014 14

Interazioni tra particelle e- e+ g, Z 0 e- e+ Un elettrone ed un positrone si annichilano. La loro energia viene trasferita a un fotone o a una Z 0 che decadono poi un una coppia e+ e. Paolo Morettini - Liceo Grassi 28/4/2014 15

Interazioni tra particelle m- e+ g, Z 0 e- m+ Un elettrone ed un positrone si annichilano. La loro energia viene trasferita a un fotone o a una Z 0 che decadono poi un una coppia m+ m. Paolo Morettini - Liceo Grassi 28/4/2014 16

Interazioni tra particelle jet adronico e + g, Z 0 q q jet adronico e - Un elettrone ed un positrone si annichilano. La loro energia viene trasferita a un fotone o a una Z 0 che decadono poi un una coppia qq Paolo Morettini - Liceo Grassi 28/4/2014 17

Come si fa Acceleratori di particelle • Esistono sorgenti naturali di particelle: ad esempio, dal sole e dal cosmo riceviamo intensi flussi di particelle di diversi tipi ed energie. • Tuttavia gli acceleratori di particelle costituiscono il modo più comodo di produrre e studiare particelle. • Si accelerano particelle «comuni» (elettroni, protoni) e si provocano urti con bersagli fissi (nuclei) o altri fasci di particelle. Paolo Morettini - Liceo Grassi 28/4/2014 18

Acceleratori di particelle • Il tubo catodico del vostro vecchio televisore è un semplice acceleratore di elettroni: con un campo elettrico di qualche k. V si puo accelerare un elettrone all’energia di qualche ke. V. • I moderni acceleratori possono arrivare a qualche Te. V ( 1 Te. V = 1012 e. V). Paolo Morettini - Liceo Grassi 28/4/2014 19

Acceleratori di particelle • I parametri chiave per un acceleratore sono l’energia massima e la quantità di collisioni che possono essere generate (luminosità). • Energia maggiore consente di produrre, negli urti, particelle di massa maggiore. • Luminosità elevata significa capacita di generare eventi molto rari in tempi ragionevoli. Interaction Point Bunch spacing Bunches Paolo Morettini - Liceo Grassi 28/4/2014 20

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PEP - II PEP-II è un acceleratore lineare di elettroni che si trova a SLAC, vicino a San Francisco. La parte lineare termina con due anelli di accumulazione dove si possono realizzare collisioni tra fasci (9 Gev e-/3. 1 Ge. V e+). A PEP-II ha operato l’esperimento Ba. Bar, che studia la violazione di CP nel sistema dei mesoni con beauty. Paolo Morettini - Liceo Grassi 28/4/2014 22

KEKB è un acceleratore asimmetrico di elettroni /positroni (8 Gev e-/3. 5 Ge. V e+). KEKB si trova a Tsukuba, vicino a Tokyo. A KEKB ha preso dati l’esperimento Belle, anch’esso dedicato allo studio la violazione di CP nel sistema dei mesoni con beauty. Paolo Morettini - Liceo Grassi 28/4/2014 23

Tevatron Il Tevatron è un acceleratore protone - antiprotone da 1 Te. V per fascio che si trova a Fermilab, vicino a Chicago. Al Tevatron ha operato CDF, un esperimento che è stato in presa dati per circa 15 anni. A CDF è stato scoperto il quark top, e sono state svolte misure di precisione nel settore degli adroni con beauty. Paolo Morettini - Liceo Grassi 28/4/2014 24

Il complesso del CERN Paolo Morettini - Liceo Grassi 28/4/2014 25

Il complesso del CERN L’SPS è un acceleratore circolare in grado di accelerare elettroni, protoni e ioni di piombo. È stato (e sarà) usato sia come iniettore per altri acceleratori, sia come collider protone-antiprotone a 300 Ge. V per fascio. In questa modalità ha permesso agli esperimenti UA 1 e UA 2 la scoperta del W e dello Z. Paolo Morettini - Liceo Grassi 28/4/2014 26

Il complesso del CERN Il LEP è èun collider L’SPS un acceleratore elettronecircolare in grado positrone con energie di accelerare nel elettroni, centro di massa protoni fino ae 200 ioni Ge. V. di piombo. Ha permesso È stato (easarà) quattro usato sia come iniettore esperimenti (ALEPH, per DELPHI, altri acceleratori, L 3 ed OPAL) sia come unecollider serie protone-antiprotone impressionante di misure a 300 di Ge. V per precisione altissima fascio. Inin questa tutti i modalità settori del Modello ha permesso Standard. agli esperimenti UA 1 e UA 2 la scoperta del W e dello Z. Paolo Morettini - Liceo Grassi 28/4/2014 27

Il complesso del CERN Il LHC LEP èè ilunnuovo collider elettroneacceleratore positrone energie nel del CERN, con in presa dati dal centro 2009. di massa fino a 200 Ge. V. Ha permesso quattro È installato nela tunnel del esperimenti (ALEPH, DELPHI, LEP (circonferenza 27 km). L 3 ed OPAL) une serie È un acceleratore protoneimpressionante di misure di protone aprecisione 7+7 Te. V ein. Pb-Pb altissima tutti ai 2. 8+2. 8 per nucleone. settori del. Te. V Modello Standard. Paolo Morettini - Liceo Grassi 28/4/2014 28

Caratteristiche di LHC è stato progettato per consentire l’analisi di eventi molto rari ad energie elevate. Accelera protoni fino a 7 Te. V, e produce fino a 800 milioni di collisioni al secondo. Sofisticatissime tecnologie magnetiche, criogeniche e di vuoto sono indispensabili per il suo funzionamento. Paolo Morettini - Liceo Grassi 28/4/2014 29

Booom !! Si sa che non tutte le ciambelle riescono con il buco. Cosi è capitato che il 19 Settembre 2008, a causa di una connessione difettosa tra due cavi superconduttori, si è verificato un quench non molto controllato in un magnete. Il calore sviluppato ha provocato una rapida evaporazione dell’elio superfluido (1. 9 K) usato per il raffreddamento. Sfortunatamente la valvola di sfogo era troppo piccola (la ciambella senza buco), il che ha generato un’esplosione ed il successivo rilascio di svariate tonnellate di elio nel tunnel. La riparazione è durata più di un anno. Paolo Morettini - Liceo Grassi 28/4/2014 30

LHC 2012: nuovo record di energia 4+4 Te. V !! Paolo Morettini - Liceo Grassi 28/4/2014 31

LHC 2012: Luminosità di picco Dopo i problemi iniziali, LHC funziona molto bene e, nei run del 2010, 11 e 12 ha consentito la raccolta di grandi quantità di dati Luminosità di progetto 1034 cm-2 s-1 Paolo Morettini - Liceo Grassi 28/4/2014 32

LHC 2012: Luminosità totale Paolo Morettini - Liceo Grassi 28/4/2014 33