Lezione V

Corso di Fenomenologia delle Interazioni Fondamentali
LM in Fisica, AA 2014-15
Silvia Arcelli
Verso il Modello Standard:
Scoperta del charm
10 Marzo 2015
1
Scoperta del charm, del tau e del beuty
• Il quarto quark: Scoperta dellla J/Psi :
• Slides al link: http://www.bo.infn.it/~arcelli/LezioniFIF.html
• Rif: Bibliografia sul sito del corso
2
Meccanismo GIM e Scoperta della J/
 A distanza di quattro anni dall’ipotesi del charm evidenza sperimentale di uno
stato risonante di massa intorno ai 3 GeV, molto peculiare (larghezza della risonanza
piccolavita media molto lunga)
 Scoperta annunciata simultaneamente (11 novembre 1974) da due diversi
esperimenti :
• A BNL dal gruppo di Ting, in collisioni di protoni su bersaglio fisso
• In collisioni elettrone-positrone a SLAC, dal gruppo di Richter
• Successivamente confermata dal team di ADONE a Frascati
• “Rivoluzione di novembre”: grande impatto sul mondo scientifico, conferma del
meccanismo GIM ed esistenza di un quarto quark.
3
Scoperta della J/
 Esperimento di Ting: studiato per rivelare risonanze con numeri quantici uguali a
quelli del fotone (JPC =1--), prodotte in processi di tipo Drell-Yan, in collisioni di
protoni di 28-30 GeV su un bersaglio di Berillio nella reazione:
 Rivelatore costituito da uno spettrometro (misura dell’impulso) a due bracci,
ottimizzato per la rivelazione di elettroni (ID di elettroni con Cherenkov e
calorimetri). Stato risonante ricostruito dalla massa invariante della coppia di
elettroni
Scoperta della J/
 Un esperimento analogo diretto da L. Lederman, che però studiava i decadimenti in
coppie di muoni, aveva registrato un segnale “sospetto” nella regione di massa
interessata.
 Tuttavia per effetti di scattering multiplo
dei muoni la risoluzione in massa invariante
era assolutamente insufficente per rivelare
una risonanza con larghezza naturale così
piccola
• Anomalie nello spettro di massa invariante ,
ma segnale non conclusivo
Scoperta della J/
 Produzione della risonanza a riposo nel sistema del centro di massa. la geometria
dell’esperimento seleziona i decadimenti in e+ e- ad un angolo di 90 gradi nel sistema
del centro di massa (accettanza angolare molto limitata, accettanza in massa
invariante nel range 1-5 GeV).
•Angolo di 14.6 gradi
•Magneti per l’analisi in impulso
•Cherenkov e Calorimetri (vetro al
piombo) per identificazione di
elettroni
•Camere a multifili per la
ricostruzione della traccia
 Processo raro con fondo da adroni molto elevato (106 adroni per ogni elettrone),
l’identificazione di elettroni consente di arrivare a una reiezione di 108 .
Scoperta della J/
 Massa invariante delle coppie e+ e-:

 2
2
M einv

(
E

E
)

(
p

p
e
e
e
e
e )
 Picco molto ben definito a 3.1 GeV/c2.
 risonanza molto stretta, con larghezza
interamente dominata dalla risoluzione
sperimentale:
Ting denominò la risonanza
appena scoperta risonanza “J”
Scoperta della J/
 Esperimento MARK-1 al collider SPEAR (BNL),
studio delle collisioni e+ e- nella regione
2.5-7.5 GeV di energia nel CM.
• “Progenitore” di tutti gli esperimenti a collider:
simmetria cilindrica, equipaggiato di rivelatore
di tracce in campo magnetico, sistema a tempo
di volo, calorimetro e camere per
l’identificazione di muoni
 Si ricostruivano gli stati finali in adroni, e+ e- e + - .
Contando gli eventi N (dopo correzioni per efficienza e
accettanza del rivelatore, ) e nota la luminosità L del
collider, si misurava la sezione d’urto:

N
L 
Scoperta della J/
 In collisioni e+ e- , la sezione d’urto di annichilazione in coppie fermione
antifermione mediata dallo scambio di un fotone virtuale è precisamente calcolabile
in QED ed è, all’ordine 0 (Born-level):
2
4
πα
87 nb
 
2
σ(e e  ff) 
(Q f ) 
3s
s (GeV 2 )
 Dati presi a differenti energie con passo di 200 MeV erano consistenti
una sezione d’urto costante, contrariamente a quanto aspettato.
 Con uno scan di energia molto più fine (passo di 2 MeV) si evidenziò una risonanza
molto stretta e con valore di picco 103 volte superiore a quello del “continuo” :
Formula di Breit Wigner
Scoperta della J/
 Massa della risonanza circa 3.1 GeV
 Larghezza della risonanza circa 2.1 MeV,
interamente dominata dalla dispersione
dell’energia dei fasci (non è la larghezza
fisica!)
 “Lineshape” asimmetrica per effetto di
correzioni radiative (a dx) e di interferenza
dello stato risonante con il canale di
fotone (a sx). Il canale in elettroni ha
anche un contributo in canale t (bhabha
scattering)
B.Richter chiamò la particella “”
Scoperta della J/
 Dall’integrale della sezione d’urto in adroni si potè stimare indirettamente la
larghezza fisica:

6 2ee had
0  (E)dE  M 2tot
 In questa quantità l’effetto delle correzioni radiative e della dispersione di energia
del fascio è minimo:
 Assumendo che la larghezza totale sia dominata dal decadimento in adroni, si
determina la larghezza parziale in elettroni.
 Sfruttando il BR misurato in elettroni, si può ricavare una stima della larghezza
totale fra 70 e 80 KeV, estremamente piccola se confrontate con altre
risonanze adroniche in e+ e- ( ()4.3 MeV,  () 125 MeV).
 Una vita media così lunga poteva essere determinata solo da qualche regola di
selezione che coinvolgesse l’esistenza di un nuovo numero quantico nei quark
prodotti . Era un nuovo flavour, il charm.
Scoperta della J/
Spin-parità della nuova particella, che doveva essere JP=1 , misurata
direttamente:
 Analizzando le distribuzioni angolari dei leptoni nello stato finale:
d
(e  e   ff )  (1  cos 2  )
d cos 
(J=1)
 Dal profilo della lineshape
nella regione di interferenza:
(P=-1)
Ecm(GeV)
Scoperta della J/
• Il nuovo quark, per essere consistente con le previsioni di GIM,
doveva avere carica +2/3.
• Carica del quark accessibile dalla misura della larghezza parziale in leptoni:
(  l  l  )  
2
2
(
Q
)
(
Q
)
l
q
2
M
2
• Il valore della larghezza parziale permetteva di stabilire univocamente che la
carica del nuovo quark fosse +2/3 , ancora consistente con l’ipotesi del
charm
Scoperta della J/
 La nuova particella J/(3097) è uno stato legato charm-anticharm in onda
1S, con numeri quantici uguali a quelli del fotone (JPC=1 )
 A distanza di 10 giorni dalla scoperta, a SLAC fu osservato un altro stato
risonante molto simile al primo. Era lo stato in in onda 2S , la ’(3685)
Scoperta della J/
 Si stavano evidenziando gli
stati del sistema legato
(charmonio), che origina tutta
una varietà di risonanze (in
analogia, ad esempio, con lo
spettro di positronio)
 Solo gli stati con JPC= 1 sono
prodotti direttamente in
collisioni e+e• Il sistema del charmonio è un
“hidden flavour” (Ctot=0)
Regola di OZI e decadimento della J/
 Nonostante la larghezza molto piccola, entrambe le risonanze decadevano
attraverso l’interazione forte (conservazione della G-parità nei decadimenti a n
pioni). Qual’è l’origine della vita media molto lunga (relativamente alle altre
risonanze che decadono fortemente) del nuovo stato?
 Regola di OZI: i diagrammi che coinvolgono linee non connesse di quark sono
altamente sfavoriti. Ad esempio, se si considera il caso del mesone (1020) e i suoi
decadimenti in KK e in tre pioni:
Sfavorito per spazio fasi, ma BR85%
Favorito per spazio fasi, ma BR15%
Regola di OZI e decadimento della J/
 Analogamente, per la J/ , sarebbe favorito il primo diagramma:
 Tuttavia, la J/(3097) ha una massa inferiore alla soglia di produzione di coppie di
mesoni charmati (MD 1.86 GeV) e il decadimento con linee connesse non può
avvenire.
• Resta la modalità a linee sconnesse, che è soppresso.
Regola di OZI e decadimento della J/
• La regola di OZI è puramente euristica, ma si può giustificare in termini più
fondamentali (QCD), considerando il numero di gluoni scambiati.
•
Nel caso di linee sconnesse, essendo la J/ uno stato privo di colore e con JPC=1 
”occorrono” necessariamente 3 gluoni. L’elemento di matrice va quindi come il cubo
della costante di accoppiamento delle interazioni forti calcolata alla scala di massa
della risonanza. Il rate di decadimento in adroni diventa dello stesso ordine di un
decadimento di tipo elettromagnetico.
Stati risonanti con produzione di “open charm”
• Al di sopra della soglia di produzione dei mesoni charmati, ovvero:
ECM  2  M D  3.73 GeV
• Gli stati risonanti diventano molto più larghi, perchè il decadimento a linee
connesse non è più proibito dalla cinematica.
•
Larghezze nuovamente
dell’ordine di quelle tipiche
dell’interazione forte
(decine-centinaia di MeV).
DD(bar) threshold
I Mesoni charmati, D
• I mesoni D hanno numero quantico di charm diverso da 0 (“open charm” ),
contrariamente agli stati di charmonio (“hidden charm”). Sono il canale di
decadimento dominante degli stati di charmonio al di sopra della soglia di produzione.
decadono debolmente, con vite medie dell’ordine del ps (effetto della grande massa)
I Mesoni charmati, D
• Scoperti nel 1976, quando SPEAR cominciò ad operare a energie nel centro di massa
superiori:
Il primo mesone charmato ad essere scoperto fu quello neutro, nei decadimenti
(deboli) :
M D0  1.865 GeV
Subito dopo, fu osservato anche il mesone D carico:
M D  1.875 GeV
•
Notare che nel decadimento compare una particella con stranezza....
I Mesoni charmati, D
•
_
d
_
d
c
u
_
u
g cosc
s
W+
u
•I decadimenti senza particelle strane
sono soppressi, ad esempio:
BR ( D   K    )  9%
gcosc
_
d
Ulteriore conferma
del meccanismo GIM
Transizioni cs cos2c
BR ( D       )  0.3%
•Esistono analoghi decadimenti in cui
il K è neutro.
I Mesoni charmati, D
Decadimenti carichi più “facili” da ricostruire/analizzare sperimentalmente e
distinguere da combinazioni accidentali:
Analisi in massa Invariante
con K e pioni (ID) :
• Coppia di pioni di segno
concordesegnale
• Coppia di pioni di segno
discordefondo
Segnale
Fondo
Backup slides
24
Scoperta della J/
Accettanza angolare dell’esperimento a BNL:
Trasformazioni di Lorentz:
Centro di Massa:
Scoperta della J/
• Nello stesso anno, avvisaglie indirette della presenza di un nuovo stato dal rapporto
R consistente con 3-6 e non 2:
 (e  e   adroni)
R
 N C  (Qi ) 2
 
 
 (e e    )
q
Ecm (GeV)