Parte 1

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
 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
Come è fatta la materia?
Cosa si fa
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
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Composizione della materia
Leptoni
Elettrone
Adroni
Protone
Neutrone
Fotone – mediatore della
forza EM
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:
Pione
Kaone
Eta
Protone
E uno studio più sistematico
ha chiarito che molte non
erano affatto elementari,
ma composte da particelle
più piccole, dette quarks.
Neutrone
Lambda
Mesone (p)
Barione (P)
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9
Il Modello Standard
Leptoni
Quarks
Elettrone
Muone
Tau
Neutrino
e
Neutrino
m
Neutrino
t
Fotone – mediatore della
forza EM
Up
Charm
Top
Down
Strange
Bottom
Bosoni W e Z – mediatori
della forza debole
Paolo Morettini - Liceo Grassi
Gluoni – mediatori della
forza forte
28/4/2014
10
Il Modello Standard
I
leptoni Quarks
sono
particelle
elementari sensibili all’interazione
elettromagnetica e debole, ma
non a quella forte.
Elettrone, muone e tau hanno
Elettrone
Muone
Tau
Charm
Top
masse Upprogressivamente
crescenti. Solo l’elettrone è stabile.
I neutrini a lungo ritenuti privi di
Neutrino
Neutrino
Neutrino
massa,
in realtà
DownhannoStrange
Bottommasse
e
m
t
molto piccole (pochi eV). 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
corrispondente antiparticella, di
carica elettrica opposta.
Leptoni
Paolo Morettini - Liceo Grassi
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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)
legata ad
una
oltre che
di è quella
elettroproprietà delle interazioni forti
magnetica
e debole. Hanno
carica
detta
”confinamento”.
Di
fatto
se
Elettrone
Muone
Tau
frazionaria
la rigaun
sopra
e -1/3
si
tenta di (2/3
spaccare
adrone
il
quella sotto).
i quarks
hanno
campo
forteAnche
diventa
talmente
le corrispondenti
antiparticelle.
intenso
da permettere
la creazione
Neutrino
Neutrino
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
Up
Charm
Top
Down
Strange
Bottom
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17/3/2014
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Il Modello Standard
In meccanica quantistica relativistica anche leQuarks
interazioni sono
mediate da particelle.
Nel Modello Standard la minima interazione consiste nello
scambio di un mediatore (quanto). Interazioni più complesse
Up
Charmmediatori.
Top
possono comportare lo scambio simultaneo
di più
La trattazione di interazione elettromagnetica e debole nel MS
è unificata, per cui si parla di interazione elettro-debole.
Down
Fotone – mediatore della
forza EM
Bosoni W e Z – mediatori
della forza debole
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Strange
Bottom
Gluoni – mediatori della
forza forte
28/4/2014
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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=mc2),
quindi è possibile creare e distruggere particelle:
jet adronico
e
+
g, Z0
Energia
q
q
jet adronico
e
-
Paolo Morettini - Liceo Grassi
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14
Interazioni tra particelle
e-
e+
g, Z0
e-
e+
Un elettrone ed un positrone si annichilano. La
loro energia viene trasferita a un fotone o a una
Z0 che decadono poi un una coppia e+ ePaolo Morettini - Liceo Grassi
28/4/2014
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Interazioni tra particelle
m-
e+
g, Z0
m+
e-
Un elettrone ed un positrone si annichilano. La
loro energia viene trasferita a un fotone o a una Z0
che decadono poi un una coppia m+ mPaolo Morettini - Liceo Grassi
28/4/2014
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Interazioni tra particelle
jet adronico
e
+
g, Z0
q
q
jet adronico
e
-
Un elettrone ed un positrone si annichilano. La loro
energia viene trasferita a un fotone o a una Z0 che
decadono poi un una coppia qq
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Acceleratori di particelle
Come si fa
• 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.
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Acceleratori di particelle
• Il tubo catodico del vostro vecchio televisore è un
semplice acceleratore di elettroni: con un campo
elettrico di qualche kV si puo accelerare un
elettrone all’energia di qualche keV.
• I moderni acceleratori possono arrivare a qualche
TeV ( 1 TeV = 1012 eV).
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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
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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 GeV e+).
A PEP-II ha operato l’esperimento BaBar, che studia la
violazione di CP nel sistema dei mesoni con beauty.
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22
KEKB
KEKB è un acceleratore
asimmetrico
di
elettroni
/positroni (8 Gev e-/3.5 GeV 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.
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23
Tevatron
Il Tevatron è un acceleratore
protone - antiprotone da 1 TeV
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.
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Il complesso del CERN
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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
GeV per fascio. In questa
modalità ha permesso agli
esperimenti UA1 e UA2 la
scoperta del W e dello Z.
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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 protoni
massa fino
e ioni
a 200
di
piombo.
GeV.
Ha Èpermesso
stato (e sarà)
a quattro
usato
sia come iniettore
esperimenti
(ALEPH, per
DELPHI,
altri
acceleratori,
L3
ed OPAL)
sia come
une collider
serie
protone-antiprotone
impressionante
di misure
a 300
di
GeV per precisione
altissima
fascio. Inin questa
tutti i
modalità
settori
del Modello
ha permesso
Standard.
agli
esperimenti UA1 e UA2 la
scoperta del W e dello Z.
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Il complesso del CERN
IlLHC
LEP èè ilunnuovo
collider
elettroneacceleratore
positrone
energie
nel
del CERN, con
in presa
dati dal
centro
2009. di massa fino a 200
GeV.
Ha permesso
a quattro
È installato
nel nel tunnel
del
esperimenti (ALEPH, DELPHI,
LEP ed
(circonferenza
27 km).serie
L3
OPAL) une
È un acceleratore
protoneimpressionante
di misure
di
protone aprecisione
7+7 TeV einPb-Pb
altissima
tutti ai
2.8+2.8
TeV
per nucleone.
settori
del
Modello
Standard.
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Caratteristiche di LHC
LHC è stato progettato per consentire l’analisi di eventi molto
rari ad energie elevate. Accelera protoni fino a 7 TeV, e
produce fino a 800 milioni di collisioni al secondo.
Sofisticatissime tecnologie magnetiche, criogeniche e di vuoto
sono indispensabili per il suo funzionamento.
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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.
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30
LHC 2012: nuovo record di energia
4+4 TeV !!
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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
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LHC 2012: Luminosità totale
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