Verifiche sperimentali del modello standard particelle elementari delle

Verifiche sperimentali del modello standard particelle elementari delle 1) Gli acceleratori LEP, SLC e Tevatron. Componenti di un collider, definizione e misure di luminosità. 2) Sistemi complessi di rivelazione. I rivelatori DELPHI, SLD e CDF. 3) Misura delle proprietà del bosone vettore Z. Line shape della Z. Misura della massa e della larghezza della Z. Decadimenti adronici e leptonici della Z. Numero di famiglie di neutrini. 4) Misura delle asimmetrie. 5) Fit globali elettrodeboli. 6) Ricerca dell'Higgs a LEP 1. 7) Produzione dei bosoni W+W- e misura di MW a LEP 2. 8) Ricerca dell'Higgs a LEP 2. 9) Ricerca dell’Higgs e nuova fisica a LHC Padova 20 Maggio 2008 Ezio Torassa Dottorato in Fisica XXIII Ciclo

Gli acceleratori LEP, SLC e Tevatron e +e - e +e , Z 0 W+ We+e-L/R e+e , Z 0 Large. Electron. Positron collider 1989 -1995 Ebeam_max = 55 Ge. V 1996 -2000 Ebeam_max = 104. 5 Ge. V Stanford. Linear. Collider 1989 -1998 Ebeam_max = 50 Ge. V Tevatron collider 1987 -2009 Ebeam_max = 0. 98 Te. V Progetto Luogo Stima completamento Descrizione CERN 1988 7× 7 Te. V 50× 50 Ge. Vpp e+ e- PEP SLCII SLAC 1987 3. 1× 9 Ge. V 50× 50 Ge. V ee++ee-- Tevatron KEK-b Tristan Fermilab 1986 KEK 1986 1× 1 Te. V 3. 5× 8 Ge. V 30× 30 Ge. V ee++ee-- Chiuso. Hera 30 -6 -2007 Non UNK realizzato DESY 1990 30× 820 Gev e-p Serpukov 1990 600 Ge. V p LEP II LEP - LHC Padova 20 Maggio 2008 Torassa Tabella. Ezio R. Fernow (1986) Dottorato in Fisica XXIII Ciclo

LEP ALEPH LEP OPAL DELPHI SPS Iniettore a 20 Ge. V L 3 CERN Meyrin • 26659 m di circonferenza • Accelerazione, deviazione e focalizzazione nel collisore Padova 20 Maggio 2008 Acceleratori non in scala 4 esperimenti nei 4 punti di interazione Ezio Torassa Dottorato in Fisica XXIII Ciclo

SLC LEP (Z 0) “Circumference” 3 km 27 km Beam Size IP 3 x 1 μm 400 x 16 μm e-/bunch 4 x 1010 30 x 1010 Crossing Rate 120 Hz 45 k. Hz Z/day/experiment 3, 000 30, 000 e- polarization 75 % 0 • 2 Miglia di Lunghezza • Accelerazione lineare, deviazione e focalizzazione nel collisore • Elettroni polarizzati al 75% • Piccola sezione del fascio nell’IP SLD Rivelatore SLD Padova 20 Maggio 2008 Ezio Torassa Dottorato in Fisica XXIII Ciclo

Tevatron • 6280 m di circonferenza • Accelerazione, deviazione e focalizzazione nel collisore CDF Tevatron D 0 CDF Iniettore a 150 Ge. V D 0 Padova 20 Maggio 2008 Ezio Torassa Dottorato in Fisica XXIII Ciclo

Accelerazione Nell’acceleratore di Wideroe (1928) si applica una tensione alternata ad una sequenza di tubi di drift. gap le particelle non sentono campo accelerante quando si muovono all’interno di ciascun tubo di drift, la fase si inverte durante il tempo di volo nei tubi e la particella subisce progressive accelerazioni in corrispondenza dei gaps Si è poi passati all’accelerazione con campi a radiofrequenza: la struttura accelerante consiste in una cavità risonante in cui viene accumulata l’energia di campi elettromagnetici RF. Come nei tubi a drift il campo elettrico deve essere sincronizzato con il fascio. Padova 20 Maggio 2008 Ezio Torassa Dottorato in Fisica XXIII Ciclo

Focalizzazione La focalizzazione si ottiene mediante sequenze di celle ’FODO’ F D O O F L 2 L 1 Linee di campo Linee di forza (carica positiva uscente) cella ‘FODO’ Quadrupolo Focalizzante (F) Focalizza orizzontalmente Defocalizza verticalmente Quadrupolo Defocalizzante (D) Si ottiene ruotando il magnete di 90º Padova 20 Maggio 2008 Ezio Torassa Dottorato in Fisica XXIII Ciclo

Rappresentazione a matrice Nello spazio 2 -D trasverso alla linea del fascio (z) la traiettoria può essere rappresentata da 2 vettori: (direzione) I componenti che agiscono sul fascio possono essere rappresentati in approssimazione lineare da matrici 2 x 2: Percorso libero lunghezza L: x x 1 x 0 L z Focalizzazione a distanza f: x f Padova 20 Maggio 2008 z Ezio Torassa Dottorato in Fisica XXIII Ciclo

Matrice ’FODO’ con uguale intensità focalizzante e defocalizzante: O D F O sempre focalizzante Vincoli della matrice M: (1) In un sistema conservativo (Hamiltoniano) il teorema di Liouville enuncia la conservazione della densità dello spazio delle fasi det M = 1 (2) Condizione necessaria di stabilità orbitale | tr M | 2 x’ O F x’ x Padova 20 Maggio 2008 x’ x Ezio Torassa (autovalori matrici < 1) O x x’ x Dottorato in Fisica XXIII Ciclo

y x L’approssimazione lineare consiste nel considerare l’intensità proporzionale allo spostamento: Indico con L la lunghezza del quadrupolo Variazione di direzione proporzionale alla coordinata (come nella lente focale) Tenere a mente che f dipende da p Fuoco del quadrupolo Padova 20 Maggio 2008 Ezio Torassa Dottorato in Fisica XXIII Ciclo

Emittanza e Accettanza • L’emittanza del fascio e’ l’area dell’elisse nello spazio (x , x’) , contenente il 90 % del fascio stesso. Si esprime in mm x mrad. • L’accettanza di un acceleratore e’ la massima emittanza da esso raggiungibile senza che avvenga la perdita del fascio di particelle. x’ emittanza beam x accettanza - conservazione densità spazio delle fasi - La riduzione di si puo’ effettuare con tecniche specifiche (raffreddamento stocastico) = emittanza = costante (in x e y) Padova 20 Maggio 2008 Ezio Torassa Dottorato in Fisica XXIII Ciclo

Componenti di un collider DIPOLI SESTUPOLI Padova 20 Maggio 2008 Ezio Torassa QUADRUPOLI CAVITA’ RF Dottorato in Fisica XXIII Ciclo

Cromaticitá e Sestupoli Particelle con diversa energia vengono focalizzate in modo diverso: aberrazione cromatica p > p 0 p = p 0 p < p 0 I sestupoli correggono l’effetto cromatico dei quadrupoli Si utilizzano: SF vicino a QF SD vicino a QD Padova 20 Maggio 2008 Ezio Torassa Dottorato in Fisica XXIII Ciclo

Radiazione di sincrotrone • Eorbita = 4/3 Q 2 3 4 / R; • @ LEP, <R> = 4. 25 × 103 m; Ø Ee±orbita(Me. V) = 8. 85 × 10 -5 E 4 (Ge. V) / R (Km); • in QED, la bremsstrahlung ha uno spettro di valori; la formula fornisce il valore medio g Padova 20 Maggio 2008 s Eorbita Efascio (Ge. V) 45 90 0. 085 90 180 1. 336 100 2. 082 e± Ezio Torassa Dottorato in Fisica XXIII Ciclo

Definizione e misure di luminosità Efficienza (trigger+ricostruzione +selezione) Luminosità integrata [cm -2 sec -1 ] Padova 20 Maggio 2008 Ezio Torassa Dottorato in Fisica XXIII Ciclo

Esercizio LEP 1991: Risultati: - Luminosità = 2. 5 × 1030 cm-2 sec-1 ( exp. ) - Operatività = 135 giorni / 365 107 sec / anno - < L > = 50% L - had (MZ) 40 nbarn Calcolare: - Luminosità integrata in un anno ? ∫ L = 12. 5 pb-1 - N. ro di Z had prodotte in un anno exp. ? N = 500. 000 (1 barn = 10 -24 cm 2) Padova 20 Maggio 2008 Ezio Torassa Dottorato in Fisica XXIII Ciclo

Misura della luminosità a LEP Basata sul conteggio degli eventi di diffusione Bhabha a piccolo angolo: e +e - e +e Dominato dallo scambio di un fotone in “canale t”: eq e+ ee+ “canale s” e+ e+ e- eq (deg) 45. 90. regione usata dai luminometri: 1 -10 deg Bhabha Homi Jehangir, fisico teorico indiano (Bombay 1909 – monte Bianco 1966) Dottorato in Fisica XXIII Ciclo

e+ (s) e+ (t) e- (s)- (s) e- (t)- (t) (s)- (t) (elettroni non polarizzati) e+ e- e+ Z(s) Z(t) e- Z(s)- (s) Z(s)- (t) Z(t)- (s) Z(t)- (t) Z(s)-Z(s)-Z(t)-Z(t) Padova 20 Maggio 2008 Ezio Torassa Dottorato in Fisica XXIII Ciclo

bremsstrahlung, correzioni radiative ad un loop dal confronto di diversi calcoli teorici e dei diversi gradi di approssimazione perturbativa (=> includendo/escludendo termini “leading-logs” in a 3): 1. 006 1. 004 QED 1. 002 1 1 o ordine (BABAMC) 0. 998 0. 996 0. 994 2 o ordine 0. 092 0. 09 84 86 Padova 20 Maggio 2008 88 90 92 94 96 98 s Ezio Torassa Dottorato in Fisica XXIII Ciclo

Il luminometro di DELPHI Esempio di luminometro: Small Angle Tile Caloremeter (“STIC”, DELPHI) Situato a 2200 mm dal punto di interazione STIC side C Rmin = 65 mm Rmax = 420 mm Copertura angolare: 1. 7 – 10. 6 deg 2200 mm 47 sandwich di Piombo (3 mm) e Scintillatore (3 mm) X 0 Pb = 5. 6 mm => 25 X 0 Luce raccolta da wavelength shifting fibers STIC side A risoluzione in energia: /E (%) = 13. 5/ E 1. 5 E in Ge. V campionamento in phi: risoluzione in phi: 16 x 22. 5 deg 1. 2 deg campionamento in r: risoluzione in r: 10 x 3 cm 200 mm Per migliorare la risoluzione sulla direzione degli sciami e. m. sono stati inseriti Dottorato in Fisica Padova 20 Maggio 2008 due piani di silicon-strip posti a 4. 0 Ezio X 0 Torassa e 7. 4 X 0 con passo radiale di 1. 7 XXIII mm Ciclo

Padova 20 Maggio 2008 Ezio Torassa Dottorato in Fisica XXIII Ciclo

sistematiche Raggio minimo Si introduce una maschera per definire in modo preciso rmin STIC senza maschera con maschera Variazione IP D = 2200 mm 0. 1 % per ogni mm L/L = 0. 1% = 0. 06 % (IP) 0. 04 % (Maschera) Selezioni Padova 20 Maggio 2008 Ezio Torassa Dottorato in Fisica XXIII Ciclo

Sistemi complessi di rivelazione I calorimeteri misurano l’energia e la posizione delle particelle mediante il loro totale assorbimento nel dispositivo. Padova 20 Maggio 2008 Ezio Torassa Il rivelatore di muoni è un dispositivo di tracciamento posto a valle dei calorimeteri. Dottorato in Fisica XXIII Ciclo

Targhetta fissa Collider CMS HERA-B (E 1=E 2) 4 Sistema di trigger efficiente LHC L = 1033 1034 cm-2 sec-1 Ogni evento viene reccolto LEP L = 1030 1032 cm-2 sec-1 Padova 20 Maggio 2008 Ezio Torassa Fast Tracking Dottorato in Fisica XXIII Ciclo

Rivelatore DELPHI DEtector with Lepton Photon Hadron Identification [N. I. M. A 303 (1991), 233 “ A 378(1996), 57] enfasi sulla identificazione di particelle: rivelatore dedicato: Ezio Torassa Padova 20 Maggio 2008 Ring Imaging. CHerenkov [N. I. M. A 323 (1992), 351] Dottorato in Fisica XXIII Ciclo

Dati di simulazione Monte. Carlo Padova 20 Maggio 2008 Ezio Torassa Dati reali Dottorato in Fisica XXIII Ciclo

Rivelatore SLD [Phys. Rev. Lett. 70 (1993), 2515] • Precision CCD Vertex Detector • Central Drift Chamber (CDC) • Cherenkov Ring Imaging Detector (CRID) • Liquid Argon Calorimeter (LAC) • Warm Iron Calorimeter (WIC) • Compton Polarimeter Padova 20 Maggio 2008 Ezio Torassa Dottorato in Fisica XXIII Ciclo

Misura della polarizzazione Utilizza lo scattering Compton della luce polarizzata. L’angolo di scattering dipendente dallo spin dell’elettrone. • Compton Polarimeter <Pe-> = 75 % σ<Pe> = 0. 5 % • Quartz Fiber Polarimeter and Polarized Gamma Counter – run on single e- beam + crosschecks • <Pe+> = -0. 02 ± 0. 07 % elettroni diffusi Luce polarizzata Circolarmente (YAG Laser, 532 nm) Padova 20 Maggio 2008 Ezio Torassa Dottorato in Fisica XXIII Ciclo

Rivelatore CDF Muon Detector Hadronic Calorimeter Electromagnetic Calorimeter Central Drift Chamber TOF (Time Of Flight) Silicon Vertex Detector Misura TOF => Misura => Identificazione di particella Padova 20 Maggio 2008 Ezio Torassa Dottorato in Fisica XXIII Ciclo

Definizioni in “unità naturali” nel S. I. X 0 distanza media nella quale un elettrone riduce la propria energia di un fattore 1/e per bremsstrahlung e Z Padova 20 Maggio 2008 Ezio Torassa Dottorato in Fisica XXIII Ciclo

Riferimenti Introduzione alla fisica delle particelle sperimentali: Introduction to experimental particle physics - Richard Fernow - Cambridge university press Introduzione agli acceleratori: http: //ab-div. web. cern. ch/ab-div/Training/2007/AXEL%20 Lectures/ Fisica Eltettrodebole: Z Physics at LEP I CERN 89 -08 Vol 1 – Bhabha scattering (pag. 171) ( http: //weblib. cern. ch/ => link a “Yellow Reports” ) Luminometro di DELPHI: The small angle tile calorimeter in the DELPHI experiment N. I. M. A 425 (1999) 106 -109 Lezioni http: //www. pd. infn. it/~torassa/dottorato. html Padova 20 Maggio 2008 Ezio Torassa Dottorato in Fisica XXIII Ciclo