La ricerca del bosone di Higgs e
l’esperimento ATLAS
Silvia Ventura
INFN - LNF
05/10/2005
Sommario
Il Modello Standard
Cos’e’?
I successi del Modello Standard
Cosa manca?
Come si producono le particelle?
L’acceleratore LHC del CERN
Come si “vedono” le particelle?
I tracciatori
I calorimetri
L’ esperimento ATLAS
Un esempio di analisi: H4m
Il Modello Standard (MS)
Il Modello Standard è la teoria fisica che riassume tutte le attuali conoscenze nel campo
delle particelle elementari e delle forze che ne regolano le interazioni fondamentali.
Una particella e’ elementare se non e’ composta da altre particelle!
PER QUANTO NE SAPPIAMO
OGGI…
…le particelle elementari,
ossia i costituenti fondamentali
della materia sono 12.
6 leptoni (divisi in 3 famiglie)
6 quark (divisi in 3 famiglie)
+ 12 anti-particelle!
Le particelle di materia sono FERMIONI
ossia particelle di spin 1/2
Le interazioni fondamentali
Le interazioni fondamentali sono 4, sono il risultato dello scambio dei cosi detti
“MEDIATORI” dell’interazione, BOSONI (spin=1)
bosone
mediatore
intensita’
raggio
d’azione
leptoni carichi + quark
fotone
10-2
infinito
carica debole
o “sapore”
leptoni + quark
W+,W-,Z0
10-13
10-15
FORTE
carica forte
o “colore”
quark
8 gluoni
1
10-13
GRAVITAZIONALE
massa
trascurabile per tutte
le particelle elementari
gravitone
10-38
infinito
Interazione
sensibile a
ELETTROMAGN.
carica elettrica
DEBOLE
Electromag.
g
g
...e le altre particelle?
Particelle composte da 3 quark sono dette
BARIONI
Alla fine degli anni 60 erano state
scoperte circa 50 particelle,
troppe per essere tutte
elementari!
In realta’ si trattava di particelle
composte da quark legati:
gli ADRONI!
Secondo la
QUANTOCROMODINAMICA
i quark non possono esistere
come particelle libere ma si
combinano in modo da formare
particelle neutre dal punto
di vista del colore!
Particelle composte da 2 quark sono dette
MESONI
Le masse dei fermioni
Q
U 0.003
A
1
R
K
S
0.006
L
E
P 0.0005
T
O
N 0
I
u
up
1.5
c
charm
175
t
4
b
top
Gev ~ protone
d
down
e
elettrone
ne
neutrino e
0.12
s
strange
m
0.105
muone
0
nm
neutrino m
1.8
0
bottom
t
tau
nt
neutrino t
L’origine delle masse: il bosone di Higgs
Nel 1968 S.Weinberg, A.Salam e S.Glashow crearono una teoria di campo secondo
la quale l’interazione elettromagnetica e quella debole sono in realta’ manifestazioni
diverse di un’unica interazione: l’interazione elettrodebole.
Ma allora perche’ mg=0 e mZ0=90 GeV?
Nel Modello Standard l’origine delle masse viene spiegata tramite la rottura spontanea
della simmetria elettrodebole a opera di un campo scalare: il campo di Higgs.
Le masse dei quark, dei leptoni e dei bosoni vettori deboli sono tutte interpretate
come il risultato dell'interazione con il campo di Higgs.
mf/v
mH2 /v
?
m2W,Z
/v
m2H /v2
La massa del bosone di Higgs!
Il bosone di Higgs e’ l’ultimo tassallo mancante del Modello Standard…
l’unica particella predetta dal Modello Standard che non sia ancora stata osservata!
Se esiste, quanto vale la massa dell’Higgs?
Da misure sperimentali indirette
(misure di precisione sui parametri
elettrodeboli a LEP2, Tevatron, SLAC)
si ha :
MH<251 GeV/c2 (95% C.L.)
Da ricerche sperimentali dirette
(misura combinata degli esperimenti
di LEP2) si ha:
MH>114.4 GeV/c2 (95% C.L.)
I successi del Modello Standard
Tutte le misure effettuate fino ad oggi da numerosi esperimenti in tutto il mondo, sono
consistenti con le predizioni di questo modello
1984 : Scoperta dei Bosoni vettori W e Z0,
all’esperimento UA1 al CERN
Nobel Carlo Rubbia
Dalla misura della
larghezza dello Z0
si e’ avuta anche
conferma che le
famiglie di
quark sono 3!
1995 : Scoperta del quark top
I limiti del Modello Standard
Troppi parametri liberi.
Perche’ ci sono tre generazioni di quark e tre di leptoni?
Perche’ le masse sono cosi diverse?
Il Modello standard non comprende la descrizione della gravita’.
Non fornisce una spiegazione per la cosi detta materia oscura.
Il problema della gerarchia: assumendo che il MS abbia un Higgs di 200 GeV e che
sia valido fino a scale dell’ordine L 10 TeV, la massa dell’Higgs riceve correzioni
dovute a loop al secondo ordine quadraticamente divergenti:
mH2
3
8
2
2
2
L
(
2
TeV
)
2 t
Il Modello Standard funziona bene a basse
energie!
Tuttavia il Modello Standard e’ e rimane uno dei grandi successi della fisica delle
particelle elementari!!!
Come si producono le particelle?
Le particelle vengono prodotte facendo urtare particelle tra loro a energie molto elevate.
si puo’ modificare l’energia,
impulso e direzione
delle particelle incidenti
E
E
o, se si ha abbastanza
energia (E=mc2) ,
creare nuove particelle
Esperimenti
a targhetta fissa:
E = sqrt(Ebeam) = 29 GeV
Esperimenti
a fasci collidenti:
E = 2Ebeam = 900 GeV
The Large Hadron Collider
LHC è un anello di 4.3 Km di raggio (27 Km di circonferenza), dove saranno accelerati e fatti collidere frontalmente,
in quattro zone di interazione, fasci di protoni con energia di 7 TeV, ossia un energia circa un milione di volte quella
che lega fra loro i protoni nel nucleo.
Quando sara’ finito LHC sara’ l’acceleratore
piu’ grande e potente del mondo!
The Large Hadron Collider
Energia dei fasci
7 TeV
Numero di bunch
2835
Protoni in un bunch
1011
Frequenza di Bunch Crossing
40MHz
una ogni 25 ns
Interactioni/Crossing
23
Luminosita’
low:
high:
2x1033 cm-2s-1
1034 cm-2s-1
N N
L
A
Come si vedono le particelle?
Le particelle vengono rivelate facendole interagire con opportuni materiali.
Date le caratteristiche specifiche delle diverse particelle, i rivelatori moderni sono
costituiti da una struttura “a cipolla” in cui ogni strato e’ ottimizzato alla rivelazione
di una particolare classe di particelle.
Rivelatori di particelle (1)
TRACCIATORI
m, P, E
+
B
-
CALORIMETRI
m, P, E
m, P1, E1
Un tracciatore determina
la traiettoria delle particelle cariche
Se immerso in un campo
magnetico B si riescono a
determinare anche la carica Q ed il
momento P
La particella subisce una minima
perdita d’energia nel sistema
Un calorimetro misura invece
l’energia che la particella
rilascia al suo interno
In questo caso la particella
viene quasi completamente
assorbita
Il segnale è proporzionale
alla sua energia:
S=KE
I tracciatori
Per determinare la traiettoria di una particella carica si usano generalmente rivelatori a gas.
Con rivelatore a gas si intende una regione di spazio riempita da un gas compresa tra due elettrodi
cui e’ applicata una differenza di potenziale.
IONIZZAZIONE: gli urti con gli atomi del gas fanno si che si crei una coppia ione-elettrone
“ionizzazione primaria”, un elettrone primario a sua volta, se sufficientemente
energetico puo’ urtare altri atomi e liberare elettroni secondari “ionizzazione
secondaria”.
PERDITA DI ENERGIA
PER IONIZZAZIONE
_
elettroni
_
ioni
particella _
_
carica
_
_
_
dx
dE
+
+
+
+
+
+
+
= 4 NAre2 me c2 z2 Z
Ab2
1/2 ln
2me c2g2b2
I2
Tmax b2 d/2
Un esempio di tracciatore: la camera a fili di KLOE
La camera a fili di KLOE e’ costituita da
12582 fili sensibili e 38622 fili di campo!!!!
E’ immersa in un campo magnetico solenoidale
che curva le tracce sul piano trasverso
ai fasci collidenti!
Calorimetri elettromagnetici (1)
I calorimetri elettromagnetici rivelano elettroni, positroni e fotoni al di sopra dei 100 MeV
circa. In tali rivelatori si sfrutta l'assorbimento dell'energia degli sciami elettromagnetici
prodotti dalla radiazione incidente
X0 = LUNGHEZZA DI RADIAZIONE,
distanza entro la quale un fotone crea
una coppia e+e-, e un elettrone emette
un fotone.
Per ogni X0 il numero di particelle raddoppia,
l’energia di ognuna dimunuisce di un fattore 2:
Il processo va avanti fino a quando E>Ec.
E0
Calorimetri elettromagnetici (2)
Calorimetri omogenei:
tutto il materiale e’ sia assorbitore
che parte attiva
l’energia misurata e’ tutta quella depositata
buona risoluzione in energia
Ee
S
Calorimetri eterogenei: strati alternati di
materiale assorbitore e materiale attivo
l’energia misurata non e’ tutta quella rilasciata
buona risoluzione spaziale
I calorimetri adronici misurano
l’energia rilasciata dagli adroni
al loro interno per interazioni
con materiali pesanti
Hanno dimensioni maggiori dei
calorimetri em perche’ gli sciami
adronici hanno dimensioni maggiori!
g, 0
EM
n, p, , K
HAD
IL RIVELATORE ATLAS
spettrometro
a muoni
calorimetro
elettromagnetico
solenoide
calorimetro
in avanti
toroide
dell’endcap
23 m
toroide del barrelrivelatore
interno
46 m
calorimetro
adronico
schermatura
dalle radiazioni
Il tracciatore interno di ATLAS (1)
PIXEL VERTEX DETECTOR
3 strati di pixel di silicio
(50x300 e 50x400 mm2), con
risoluzione per punto ~10 mm
(trasversale) e ~75-100 mm
(longitudinale)
SEMI CONDUCTOR TRACKER
4 doppi strati di microstrip di silicio
(passo 80mm, angolo stereo
40 mrad), con risoluzione ~20 mm
(trasversale) e
~550 mm (longitudinale)
TRANSITION RADIATION TRACKER
Con doppia funzione di rivelatore di
particelle cariche e della radiazione di
transizione emessa dagli elettroni.
i rivelatori devono avere una grande granularità perchè
la probabilità di avere due particelle sullo stesso
elettrodo (occupancy) sia ridotta sotto pochi percento
Il calorimetro elettromagnetico di ATLAS
Calorimetro a campionamento
assorbitore di Pb (2.1 mm)
materiale sensibile Argon liquido
elettrodi di kapton per raccogliere
il segnale prodotto dalla
ionizzazione dell’Argon
Ermeticità: la geometria con elettrodi e
assorbitori piegati a ‘fisarmonica’
garantisce una copertura totale senza
zone morte nella coordinata azimutale
Il calorimetro elettromagnetico di ATLAS
Un fotone
visto dal
calorimetro
di
ATLAS
…e un
elettrone…
Lo Spettrometro a muoni di ATLAS (2)
Pm: misura della curvatura del muone
in campo magnetico attraverso tre
stazioni di misura:
Inner – Middle – Outer
Le stazioni per il tracciamento sono
arrangiate in 3 strati cilindrici nel barrel
e 3 ruote piane negli endcap.
Ogni stazione fornisce la misura della
traiettoria del muone con una
precisione di ~40 mm
R
m-track
Middle
Outer
Outer
Middle
Inner
Inner
m-track
Z
ALCUNI NUMERI:
Numero totale di camere
Numero di canali di elettronica
Volume del gas
Area complessiva
Siti di produzione delle camere
1194
370000
800 m 3
5500 m 2
13 (in 7 paesi)
Le camere MDT (Monitored Drift Chambers)
Una camera MDT consiste di
6 (8 nella stazione interna)
strati di tubi a deriva.
Gli strati sono organizzati in
due “multilayer” separati
da un supporto.
Diameter: 30 mm
Thickness:400 mm
Lenght: da 70 a 630 cm
Wire thickness: 50 mm
Gas: Argon 93% CO2 7%
HV: 3080 V
Proportional regime
Gain: 2×104
Gas pressure: 3 bar
20 mm di tolleranza
sulla posizione dei fili
all’interno della
camera
I Laboratori Nazionali di Frascati hanno dato
un contributo fondamentale sia alla
progettazione che alla costruzione delle
camere MDT di ATLAS.
94 camere della stazione centrale del barrel
sono state costruite in questi laboratori!
Misura di posizione (1)
La misura della posizione in cui e’ passata la particella ionizzante e’
data dalla misura del tempo tra l’istante in cui la particella e’ passata
e l’istante in cui si genera il segnale sul filo.
tmis=tder+tprop+t0
tder = tempo di drift degli elettroni
di ionizzazione
tprop = tempo di propagazione del
segnale lungo il filo
t0 = serve a equalizzare il tempo
misurato nei vari canali
t0 inizio dello spettro
dei tempi, indipendente
dalle caratteristiche di
drift del tubo
Comprende i ritardi
dell’elettronica di lettura
in generale e’ diverso da
tubo a tubo.
SPETTRO
DEI TEMPI
t1 fine
dello spettro
dei tempi,
dipendente dalle
caratteristiche
di drift del tubo
Misura di posizione (2)
Raggi (mm)
La misura di tempo viene in seguito convertita in misura di
posizione tramite la conoscenza di una relazione spazio-tempo,
ossia conoscendo la VELOCITA’ di deriva.
Tempi (ns)
Problema: non si conosce esattamente la velocita’ degli elettroni nel gas.
Viene determinata tramite un processo di AUTOCALIBRAZIONE
AUTOCALIBRAZIONE
Metodo per calcolare la R-T relation usando la traccia stessa.
1.
Si misurano tre tempi, tmis
2.
Si usa una R-T di partenza e si
ottengono tre raggi, rmis = R(tmis)
ossia tre “cerchi di deriva”
3.
Si cerca la “miglior retta” tangente
ai tre cerchi
4.
Si calcolano i residui:
R = Rmis(t) – Rfit
5.
Si corregge la R-T di partenza con il
valore medio dei residui per ogni
intervallo di raggio.
6.
La R-T corretta viene usata per
calcolare nuovi cerchi di deriva.
7.
La sequenza viene ripetuta in modo
iterativo finche non si ottiene una
precisione di 20 mm.
Rfit
Rmis
Risoluzione spaziale
Il singolo tubo riesce a determinare la
posizione in cui e’ passata la traccia con
una precisione media di 80 mm
80 mm
RISOLUZIONE nella MISURA dell’IMPULSO
La risoluzione sulla misura dell’impulso e’ influenzata da:
1.
Fluttuazioni sulla perdita di energia rilasciata nei
materiali prima dello spettrometro (pt<20GeV)
Total
Intrinsic
2.
Contributo del multiplo scattering
(20 GeV<pt<300GeV )
3. Risoluzione sul singolo punto, calibrazione,
allineamento delle camere (pt>300 GeV)
MS
E-loss
Produzione dell’ Higgs a LHC
Fusione gluone-gluone
Fusione dei Bosoni
Vettori (VBF)
Bremsstrahlung
di W /Z
Produzione associata
a quark pesanti (t/b)
NLO QCD
Il processo dominante e’ la fusione g-g, per MH< 2MZ il processo VBF costituisce il
20% della sezione d’urto totale
Il potenziale di scoperta dell’Higgs di ATLAS
Signal significance:
rapporto tra il numero
di eventi di segnale e la
radice del numero
di eventi di fondo
Ad ATLAS
il canale piu’
promettente
per la scoperta
dell’ Higgs e’:
H ->ZZ*-> 4m
con 130GeV ≤ mH < 2mZ
Come si studia un canale di fisica? (1)
m+
Z0
Scegliamo un canale da studiare
(H ZZ 4m)
H
mm+
Z0
m Studiamone le caratteristiche:
lo stato finale contiene 4 muoni complessivamente neutri
2 muoni vengono da uno Z0 e altri 2 da un altro Z0
le due Z0 derivano dall’Higgs
la massa invariante del sistema dei quattro muoni sara’ uguale
alla massa dell’Higgs!!!
Simuliamo gli eventi del canale da studiare per valutare l’efficienza di
ricostruzione e la risoluzione sui parametri da misurare. Studiamo come il
nostro rivelatore “vede” l’evento.
Studiamo TUTTE le possibili reazione che possono produrre eventi di fondo
per il nostro segnale, ossia tutti i processi che danno luogo a 4 muoni come
il nostro segnale.
Come si studia un canale di fisica? (2)
Il fondo riducibile :
Zbb 4 µ e tt WbWb 4m
Il fondo irriducibile:
ZZ* 4m e ZZ* 2m2t 4m
processi che generano 4 muoni, ma non
solo (in questo caso ci sono anche due
quark b!)
processi che generano 4 muoni e
basta…esattamente come il
segnale!
I fondi riducibili sono facilmente separabili dal segnale,
Per i fondi irriducibili cerchiamo di identificare tutte le variabili (distribuzioni
angolari, distribuzioni in impulso, masse invarianti…ecc ecc) che sono diverse
per il segnale e per i fondi, ossia…
Ottimizziamo i criteri di selezione degli eventi in modo da aumentare il
rapporto segnale/fondo (senza restare senza segnale!)
H ->ZZ*-> 4m
Variabile usata per lo studio del canale H ->ZZ*-> 4m : MASSA INVARIANTE dei 4 m…
PRIMA DELL’ANALISI…
Signal
ZZ 4m
ZZ 2m2t
ttbar
Zbb
All channels
DOPO L’ANALISI…
All channels
Sommario
Gli esperimenti della fisica delle particelle elementari sono
diventati via via piu’ complessi: grandi dimensioni, frequenza
degli eventi, numero di persone partecipanti agli esperimenti!
La comunità delle alte energie mondiale sta facendo
un salto di qualità enorme con la realizzazione di
questi apparati.
Stiamo per esplorare zone finora inesplorate, e
speriamo di trovare oltre alle conferme che cerchiamo
per le cose note...
...anche tante sorprese!!!
RISERVA
I decadimenti dell’ Higgs
Range di basse masse (MH<130 GeV)
H bbar e H gg
Range intermedio
(130<MH<2MZ)
Range di alte masse
(MH>2MZ)
H WW* lnln
e H ZZ* 4 lep
H WW lnjj
H ZZ 4 lep
THE ALIGNMENT SYSTEM
An optical system consisting of four RASNIK sensors is incorporated into
the chamber structure to monitor the chamber positions in order to correct
the track parameters.
CCD
lens
Axial lines
(RASNIK)
mask
Projective
lines
(RASNIK)
PERFORMANCE:
< 40 mm on sagitta error
due to chamber misalignment
RASNIK technology:
measure the relative position
of a lens between a CCD and
a target mask (optical line)
I calorimetri di ATLAS
I tracciatori (3)
A: non tutta la carica e’ raccolta ricombinazione.
B: camera a ionizzazione,
la carica raccolta è tutta quella prodotta.
C: contatori proporzionali, il campo elettrico è sufficien=
temente intenso (105 V/cm) da far acquistare agli
elettroni primari energia cinetica sufficiente a ionizzare
a loro volta il gas, moltiplicazione a valanga.
La carica raccolta e’ proporzionale alla ionizzazione primaria. Si definisce guadagno del gas
il rapporto:
G = n/n0 ~ 103, 104
Il limite sul guadagno e’ di 108 al di sopra del quale si perde proporzionalita’.
D: proporzionalita’ limitata, le cariche prodotte nel gas creano un campo elettrico che si oppone
a quello esterno (diminuendo il campo si favorisce la ricombinazione),
perdita di proporzionalita’ per effetti quantistici (estrazione di elettroni dal
catodo, fotoelettrico da parte di fotoni di diseccitazione)
E: Geiger-Muller, la carica raccolta non è più proporzionale alla ionizzazione primaria; l’eccitazione
e la successiva diseccitazione del gas produce una serie di scariche che danno luogo a valanghe
distribuite su tutto il rivelatore.
Rivelazione di fotoni, elettroni e positroni
La rivelazione di fotoni, elettroni e positroni si basa sulle loro proprieta’ di interazione con la materia:
Un fotone intergaisce con la materia secondo tre meccanismi:
e
1) Effetto foto-elettrico
X
X
2) Diffusione Compton
qg
e
3) Produzione coppie e+ eLa creazione di coppie avviene
solo per energie maggiori
di 2 me ed è il fenomeno
dominante per E > 20 MeV.
Z
Un elettrone intergaisce con la materia secondo
due meccanismi:
1) ionizzazione
2) bremsstrahlung
Ec
e
Gli elettroni irraggiano fotoni
finchè la loro E non diventa
minore dell’energia critica
g
Ze
e
MWPC (Camera Proporzionale a Molti Fili)
x
z
d
Ar 80%
Isobutano 24.5%
Freon 0.5%
Spaziatura tra anodi (d) è 1 –2 mm
Coordinata Z si determina con:
- piani incrociati di fili
- divisione di carica
- tempo di arrivo (delay line)
- induzione su strisce catodiche
segmentate
ITC (ALEPH)
Inner Tracking Chamber
Risoluzioni migliori: x 100 mm, z 2-3 mm
La fisica di ATLAS
I goal principali dell’esperimento ATLAS sono:
Scoperta del bosone di Higgs dello Standard Model attraverso il
“golden channel” H ZZ* 4m, canale dominante per mH>130 GeV
Scoperta dei bosoni di Higgs dello MSSM (Minimal Supersimmetric
Standard Model) attraverso il canale H/A mm
New Vector Bosons (Z’,W’): Scoperta di nuove bosoni vettori di masse
molto elevate, fino a qualche TeV;
Altro: B-physics, top-physics, EW physics…
Molti dei canali di fisica piu’ interessanti comprendono muoni nello stato finale,
importante raggiungere ottime capacita’ di misura dell’impulso di muoni energetici!!!
Lo Spettrometro a muoni di ATLAS (1)
buona risoluzione nella misura dell’impulso
migliore del 10% nell’intervallo
tra 3 GeV e 1 TeV
CAMPO MAGNETICO
toroidale in aria (minimizza
multiplo scattering)
RIVELATORI DI POSIZIONE:
ottima risoluzione sul singolo
punto (80 mm) 3 stazioni di misura
capacità di trigger su eventi con uno o più
m in un vasto range di pT (6 GeV,TeV);
TRIGGER con camere apposite
resistive plate chambers
con ottima risoluzione temporale
1-2 ns
resistenza ad un alto flusso di radiazioni. In atlas si contera’ un background fisico
dovuto a neutroni, fotoni e particelle cariche di circa (10-100) KHz/cm2
ATLAS PIXEL…
ATLAS TRT: Modulo del Barrel
piastra di supporto
e allineamento
matrice di radiatore
straws
contenitore in fibra di carbonio
zoom della parte terminale
di un modulo
Rivelatori di particelle (2)
EFFICIENZA: probabilità che una particella venga rivelata una volta che essa penetra nel volume
sensibile del rivelatore, ossia il rapporto e = NR / NI tra il numero di particelle segnalate dal
rivelatore e il numero di particelle incidenti.
RISOLUZIONE: la risoluzione di un rivelatore è
legata alla capacità di distinguere valori differenti
della grandezza da misurare. Una quantità
frequentemente usata per caratterizzare la
risoluzione è la larghezza a metà altezza
della distribuzione di interesse.
FUNZIONE DI RISPOSTA: la grandezza da determinare G e’ legata alla grandezza misurata M da
una relazione funzionale del tipo G = f(M,Ki) che dipende da parametri Ki = costanti di calibrazione
del rivelatore.
CALIBRARE un rivelatore vuol dire cercare di avere la stessa risposta dal rivelatore alla stessa
sollecitazione!
