Introduzione all`esperimento LHCb e all`analisi dei dati.

Introduzione all’esperimento
LHCb e all’analisi dei dati.
Lucio Anderlini
Istituto Nazionale di Fisica Nucleare - Firenze
Lucio Anderlini (INFN Firenze) -
LHCb Masterclass
-
8 febbraio 2017 - Modena
1
Predizione dell’antimateria
Meccanica Relativistica
Erwin Schrodinger, 1926
Albert Einstein, 1905
Meccanica Quantistica
Meccanica Quantistica Relativistica
Apparente difetto: presenta soluzioni ad energia negativa...
Paul A. M. Dirac, 1929
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Predizione dell’antimateria
Meccanica Relativistica
Erwin Schrodinger, 1926
Albert Einstein, 1905
Meccanica Quantistica
Meccanica Quantistica Relativistica
Apparente difetto: presenta soluzioni ad energia negativa...
Soluzioni a energia negativa descriverebbero bene “elettroni di carica positiva”…
che però non conosciamo...
Paul A. M. Dirac, 1929
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Osservazione dell’antimateria
Studio dei raggi cosmici con un
campo magnetico.
La traccia “curva” dalla parte
sbagliata!
La Forza di Lorentz
è opposta per cariche
opposte
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Applicazioni tecnologiche dell’antimateria, oggi.
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Mesoni K neutri: oscillazioni
Mesone K (o kaone) neutro
d
rk
a
qu
d
s
ark
Mesone anti-K neutro
d
rk
a
u
tiq
d
an
s
s
qu
ti
an
K0
ark
qu
s
K0
Simmetria di CP
I mesoni K possono trasformarsi in mesoni anti-K:
K0
K0
K0
K0
TEMPO …
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Piccolissime differenze tra materia e antimateria
(asimmetrie)
Mesone K (o kaone) neutro
d
rk
a
qu
d
s
ark
Mesone anti-K neutro
d
rk
a
u
tiq
d
an
s
s
qu
ti
an
Violazione della
mesoni K
Cronin e Fitch, 1964
K0
Stato quantistico
tempo
Fascio puro di
mesoni K0
s
Simmetria di CP
Fascio puro di
0
ark
qu
a prevalenza di K0
K0
Stato quantistico
tempo
a prevalenza di K0
TEMPO …
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Come è possibile?
Con i soli quark up, down, strange e charm
(i soli noti al tempo) NON è possibile!
… funzionerebbe con due quark in più...
...
chiamiamoli
top & bottom
Kobayashi e Maskawa, 1968
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… e infatti...
Osservato il primo adrone
con un quark b, agosto
1977
Osservato il quark top
marzo 1995
(esperimento CDF)
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Gli effetti di violazione di CP nei mesoni B
Per la prima volta gli effetti della violazione CP sono così evidenti da poter
essere apprezzati ad “occhio nudo”.
Esperimento LHCb, 2013
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Perché è ancora interessante?
…
…
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…
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Ricapitolando...
Negli ultimi 100 anni è stata:
✓ predetta l’antimateria
✓ scoperta l’antimateria
✓ osservata asimmetria tra materia e
antimateria
✓ predette nuove particelle in virtù di
quelle asimmetrie
✓ trovate quelle particelle
✓ osservate asimmetrie ancora
maggiori in quelle particelle
DISCOVERY
AHEAD
… ma non basta a spiegare la prevalenza di materia
nell’Universo, se immaginiamo un Big-Bang equilibrato...
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La violazione di CP nei mesoni charm
è molto piccola e non è ancora stata osservata.
Tra le ragioni, c’è la vita media troppo breve dei mesoni charm.
Nell’esercizio di oggi pomeriggio misureremo la vita media di un particolare
mesone charm: il mesone D0 e il suo mesone anti-D0
Mesone D neutro
d
rk
a
qu
Mesone anti-D neutro
d
rk
a
u
tiq
n
c
a
c
u
u
s
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qu
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an
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ua
s
q
Simmetria di CP
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Rivelazione e studio delle particelle
con un rivelatore moderno
L’esperimento LHCb al CERN
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π
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Il mesone D
0
Il mesone D0 è uno stato legato di un quark charm e un anti-quark up.
Esiste un mesone D0 composto di un quark up e un antiquark charm.
D0 e D0 sono l’una l’anti-particella dell’altra.
u up
c charm
t top
d down
s strange
b bottom
u up
c charm
t top
d down
s strange
b bottom
c
u
Il mesone D0
c
u
Il mesone D0
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Produzione dei mesoni D
0
Collisioni protone - protone
u
u
Energia: 7 TeV
u
Energia: 7 TeV
u
d
d
u
u
u
d
d
u
Collisione
Produzione di quark
b
Adronizzazione
u
D0 prompt
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c
c
u
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D0 da b
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Modi di produzione
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Screenshot dell’interfaccia web del Particle Physics Booklet
Modi di decadimento
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π
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…
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Ricostruzione
In questa collisione e’ stato
prodotto un D0 che poi e’
decaduto in due particelle piu’
leggere.
Fascio di
protoni 2
D0
Per “ricostruirlo” dobbiamo
individuare le tracce delle due
particelle e “riassemblarle”
Vertice di interazione
protone-protone
E se scelgo male?
Succede…
Chiamiamo segnale i candidati
selezionati realmente prodotti nel
decadimento di un D0, fondo gli altri:
combinazioni casuali di particelle.
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Fascio di
protoni 1
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Selezione
Per separare il segnale dal fondo dobbiamo utilizzare proprieta’ delle particelle
che ci permettano di distinguere quelle “giuste” da quelle “sbagliate”
Ad esempio, se volete studiare le proprieta’ delle mele e avete a disposizione
un cesto di frutta assortita, sceglierete le mele in base alla forma, al colore, al
peso, al diametro etc.
Per le particelle si utilizzano grandezze
come:
•
•
•
•
Massa
Quantita’ di moto
Parametro d’impatto
Tempo di decadimento
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Massa
Sfruttando le leggi di
conservazione dell’energia
e della quantita’ di moto, la
massa del mesone D0 puo’
essere misurata a partire
dalle particelle in cui esso
decade
Misurando la massa di
molti D0 si ottiene la
distribuzione a destra
Il valore piu’ preciso
misurato e’:
m(D0) = 1864.847 ± 0.178
MeV/c2
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Quantità di moto
Le particelle cariche che si muovono in campo magnetico sono sottoposte alla forza di
Lorentz, che le devia in modo dipendente dalla loro quantità di moto.
Studiando la deviazione in campo magnetico si determina la quantità di moto delle
particelle. Particelle più lente sono deviate di un angolo maggiore.
Disponiamo quindi di rivelatori di posizione delle particelle cariche immediatamente
prima ed immediatamente dopo il magnete.
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Parametro d’impatto
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Vita media
Se ho un numero N0 particelle instabili (ad es.: nuclei radioattivi, mesone D 0) ad un
tempo iniziale t0, dopo un tempo t, a causa delle disintegrazioni, me ne sono
rimaste
N = N0 e-(t-t0)/τ
τ è il valore medio di questa distribuzione e prende il nome di vita media o
tempo di vita media.
Da esperimenti precedenti sappiamo che la vita media del D0 è di circa
mezzo picosecondo.
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Tempi in scala semi-log
Percio’ la probabilita’ che una particella “muoia”, in funzione del tempo e’
esponenziale
Scala semilogaritmica
Scala lineare
Numero di D0
Numero di D0
1000
Pendenza: -1 /τ
100
10
1
1
Tempo di decadimento misurato [u.a.]
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2
3
4
5
6
Tempo di decadimento misurato [u.a.]
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Panini
Ora siamo qui!
Oggi pomeriggio
ricominceremo qui
Pizzeria
Mensa
Ristorante tipico
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Supermercato
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