Le particelle elementari
Le particelle elementari,
simmetrie nascoste
e la caccia al bosone di Higgs
Torino, Camplus - Lingotto
29 Novembre 2012
Nicolo Cartiglia -INFN Torino
1
Le particelle elementari
La fisica delle particelle
L’approccio riduzionista in fisica delle particelle ha portato a
moltissimi progressi.
Ogni ulteriore livello di “riduzione” porta con se` una grande
quantità di informazioni, il passaggio da un livello a quello
successivo avviene attraverso lo studio di regolarità che
indicano la presenza di una sotto-struttura
Oggi parliamo di quello
che non sappiamo… del
prossimo livello
Nicolo Cartiglia -INFN Torino
2
Le particelle elementari
Fondamentali: queste
particelle sono ritenute
senza struttura interna
(anche se non è esclusa)
Queste particelle si
dicono “materia”, sono i
costituenti della materia
Queste particelle si
dicono “messaggeri”,
sono quelli che
trasmettono le forze
Nicolo Cartiglia -INFN Torino
3
Le particelle elementari
Le forze: cariche ed intermediari
Forza gravitazionale:
Forza elettromagnetica:
Forza forte:
Caduta dei corpi, moto stellare…
messaggero: gravitone
carica: Massa/energia
magneti, atomi, chimica…
messaggero: fotone
carica: elettrica (1 tipo)
tiene uniti i protoni, i neutroni ed il
nucleo anche se di carica uguale
messaggero: gluone
carica: colore (3 tipi)
Forza debole:
radioattività, attività solare …
messaggeri: W± e la Z
carica: debole
Nicolo Cartiglia -INFN Torino
4
Le particelle elementari
Antimateria…
L’antimateria è una concetto comune in fisica delle particelle, è come la
carica negativa rispetto a quella positiva.
Regola: se si creano delle particelle in laboratorio si ottiene
tanta materia quanto anti-materia, tante cariche positive tante negative.
Come elementi, per ora sappiamo fare solo l’anti-idrogeno e l’anti-elio
Quando materia ed antimateria si incontrano, si annichilano
Nicolo Cartiglia -INFN Torino
5
Le particelle elementari
Come si creano le particelle in
laboratorio?
Attraverso urti tra particelle si possono creare
altre particelle: l’energia delle particelle viene
trasformata in materia!
protone
Einstein: E=mc2
la massa si può
trasformare
in energia e viceversa.
quark
Si crea sempre materia ed
antimateria in quantità uguali
protone
Nicolo Cartiglia -INFN Torino
6
Le particelle elementari
Particelle e viaggi nel tempo
Quando, come ad LHC, si scontrano particelle, si crea uno stato della
materia che non esiste attualmente in nessun altro posto nell’universo.
Le condizioni che si creano ad LHC sono esistite solo negli attimi
iniziali dopo il BigBang.
LHC ~ 10-11 sec
Nicolo Cartiglia -INFN Torino
7
Le particelle elementari
Le particelle che avete visto fino ad adesso (quark, leptoni,
messaggeri) vengono descritte da un modello matematico
chiamato:
Modello Standard
Descrive moltissimi dati sperimentali con grande accuratezza
Tuttavia ci sono cose che non sappiamo. Per esempio:
Misteri:
1. Dov’è l’antimateria?
2. Dimensioni spaziali?
3. Di cosa è fatto l’universo?
4. Simmetrie nascoste:
Il bosone di Higgs
La ragione dell’esistenza del bosone di Higgs
Nicolo Cartiglia -INFN Torino
8
Le particelle elementari
1- Un problema ovvio
Durante il big bang, cioè il momento iniziale del nostro universo,
si è creata tanta materia quanta anti-materia, tuttavia abbiamo un
ovvio problema:
Dove è finita l’anti-materia?
Imbarazzante: non abbiamo idea
=> Abbiamo perso il 50% delle particelle..
Nota: materia ed anti-materia non sono esattamente uguali: se lo
fossero sarebbero scomparse entrambe nello stesso modo ed
adesso ci sarebbe solo energia (questo problema si chiama “CP
violation”, è una violazione di simmetria)
Nicolo Cartiglia -INFN Torino
9
Le particelle elementari
Digressione: Due problemi connessi
1) I quark ed i leptoni sono ripetuti 3 volte,
ci sono 3 generazioni simili (ma non
identiche) Non si sa perché…
2) Tuttavia: 3 generazioni è il numero
minimo per permettere una differenza tra
materia ed anti-materia
Quindi:
u
c
t
d
s
b
νe
νµ
ντ
e
µ
τ
Se ci fossero solo 2 generazioni non saremmo qui poichè tutta la materia ed
anti-materia si sarebbero annichilate.
È la nostra esistenza una ragione sufficiente? Probabilmente no…
Dato che non sappiamo perché ci sono 3 generazioni, stiamo cercando la quarta
Nicolo Cartiglia -INFN Torino
10
Le particelle elementari
2 - Solo 3 dimensioni spaziali?
Immaginiamo di vivere in un mondo a due dimensioni nel
quale ci muoviamo solo su di un piano.
Supponiamo inoltre che sia un tipo di temibili oggetti che
vivono in 3 dimensioni, le SFERE.
Le SFERE appaiono e scompaiono,
senza nessuna possibilità di sapere dove
arriveranno la prossima volta..
Nello stesso modo possiamo immaginare
che ci siano della particelle che vivono
in 4,5…12 dimensioni che
appaiono e scompaiono nel nostro mondo.
“String theory” predice 6 extra dimensioni
Domanda: perché la gravità è così debole?
(la risposta ha a che fare con extra dimensioni ??)
Nicolo Cartiglia -INFN Torino
11
Le particelle elementari
3 - Oscuri Segreti
Abbiamo un altro problema:
Quello che vi ho raccontato spiega solo il 5% dell’universo,
questa volta abbiamo perso il 95% dell’universo
Cosa sappiamo del 95% dell’universo?
Sappiamo che c’è perché ne vediamo il suo effetto gravitazionale
Il 22-25% è costituito da ‘Dark Matter’:
I. Non emette nessun tipo di radiazione elettromagnetica.
II. Fa ruotare le galassie più velocemente
III. Una possibilità è che contenga ‘particelle super-simmetriche’
Il 70 - 73% è composto da ‘Dark Energy’
1. Riempie uniformemente tutto lo spazio
2. Aumenta la velocità di espansione dell’universo
Nicolo Cartiglia -INFN Torino
12
Le particelle elementari
4 - Simmetrie Nascoste
Le simmetrie della natura sono spesso “nascoste”, “rotte” da effetti
che si sovrappongono.
Esempio: le leggi della fisica sono simmetriche per rotazione.
Sulla terra invece, a causa della gravità, questo non è vero.
Si dice allora che la
simmetria è nascosta
(o rotta) dalla gravità.
La simmetria esiste,
ma non si vede più
La ricerca di simmetria nascoste è il mestiere dei fisici teorici…
Nicolo Cartiglia -INFN Torino
13
Le particelle elementari
L’idea di Mr. Higgs
Le particelle non hanno massa, e sono simmetriche tra loro
Questa simmetria è “nascosta” (broken) dal fatto che il bosone di
Higgs, interagendo con le particelle, le rende massive
Nicolo Cartiglia -INFN Torino
14
Le particelle elementari
La massa dei leptoni e quark
Idea chiave:
Il campo di Higgs si incolla alle particelle e crea la loro massa
La massa è una proprietà
che viene acquisita
attraverso l’interazione
con il bosone di Higgs:
sembrano avere massa
perché interagiscono con
il bosone di Higgs e
diventano più difficili da
spostare.
Nicolo Cartiglia -INFN Torino
15
Le particelle elementari
Nota Bene
Nicolo Cartiglia -INFN Torino
16
Le particelle elementari
Problemi successivi
L’origine della particella di Higgs
L’esistenza della particella di Higgs fa si che il modello
matematico sia inconsistente.
Molte delle inconsistenze si risolvono introducendo
un’ulteriore simmetria nascosta: la supersimmetria
La “Supersimmetria” crea una simmetria tra particelle
fermioniche (spin frazionario) e bosoniche (spin intero)
ogni particella esiste sia nella versione fermionica che
bosonica.
Nicolo Cartiglia -INFN Torino
17
Le particelle elementari
La Supersimmetria
Secondo la supersimmetria quindi dobbiamo trovare:
- Quark e leptoni che sono bosoni (s-quark, s-lepton)
- Gluoni, fotoni che sono fermioni
Dato che è una simmetria deve capitare:
massa dei quark = massa s-quark
massa dei leptoni = massa degli s-leptoni
Non abbiamo mai trovato s-quark o s-leptoni, quindi la
loro massa è molto più grande dei loro fratelli fermionici.
Questo vuol dire che la supersimmetria è rotta,
nascosta da qualche cosa…
Nicolo Cartiglia -INFN Torino
18
Le particelle elementari
Riassunto : 2 simmetria nascoste
L’universo è fatto (forse) da particelle supersimmetriche che si
presentano sia nello stato bosonico che fermionico, tutte a massa nulla
(elettrone con spin = 0 ed ½).
??
La supersimmetria è rotta da qualche cosa che non sappiamo, che
agisce sulle particelle bosoniche e le fa sparire (molto molto
pesanti??)
Le particelle fermioniche sono ancora senza massa
Higgs
La simmetria è rotta dal campo di Higgs
IPOTESI
Misurato
Le particelle fermioniche hanno massa “piccola” (<200 GeV)
le particelle bosoniche sono molto pesanti (~ 500-1000 GeV)
È vero??? E perche’?
Nicolo Cartiglia -INFN Torino
19
Le particelle elementari
Una particella esasperante: il bosone di Higgs
Gran parte della comunità scientifica ritiene l’esistenza del
bosone di Higgs molto probabile, e la sua ricerca è alla
base del più grande esperimento scientifico mai costruito.
Come lo si cerca? Per prima cosa bisogna farlo….
Noi non sappiamo quanto pesa, per cui per 20 anni si è
sperato di trovarlo ogni volta che un nuovo acceleratore
veniva acceso…ma invano.
LHC è così potente che, se esiste, lo facciamo di sicuro
Nicolo Cartiglia -INFN Torino
20
Le particelle elementari
Come si fa un bosone di Higgs?
La teoria ci dice quali sono i meccanismi di produzione:
• Si parte da due protoni
• due “costituenti” si fondono, e si forma l’Higgs
Nicolo Cartiglia -INFN Torino
21
Le particelle elementari
Per i curiosi
Nicolo Cartiglia -INFN Torino
22
Le particelle elementari
Che probabilità ha di crearsi un bosone di Higgs?
Urto protone-protone
Si riesce a fare un bosone
di Higgs una volta ogni
1012 urti…
Nel modo in cui funziona
LHC adesso, si fa circa un
Higgs ogni ora
(secondo la teoria attuale).
10-12
Urto protone-protone
che fa un Higgs
Nicolo Cartiglia -INFN Torino
23
Le particelle elementari
Come facciamo a vederlo?
L’Higgs decade
subito in altre
particelle:
dobbiamo misurare
la massa di coppie
bb, oppure WW,
ZZ, …, γγ, e vedere
se hanno la stessa
massa.
Nicolo Cartiglia -INFN Torino
24
Le particelle elementari
E’ o non è un “Higgs γγ” ?
Evento misura a CMS a Giugno 2011
Nicolo Cartiglia -INFN Torino
25
Le particelle elementari
E’ o non è un “Higgs 4 muoni” ?
Evento misura
a CMS
ad-INFN
Agosto
Nicolo
Cartiglia
Torino 2011
26
Le particelle elementari
ne
o
r
t
t
e
el
e
elettron
E’ o non è un “Higgs 4 elettroni” ?
Evento misura
a CMS ad agosto 2011
Nicolo Cartiglia -INFN Torino
27
Le particelle elementari
Segnale e fondo
Supponiamo di vedere in uno scontro due fotoni nello stato finale.
- Segnale: È possibile che siano dovuto al decadimento dell’Higgs
Hγγ - Fondo: È molto probabile che sia dovuti ad altre cose.
Bisogna fare un’analisi statistica per capire se si vede un segnale o
no.
Nicolo Cartiglia -INFN Torino
28
Le particelle elementari
Coppie di fotoni
Se le coppie di fotoni:
sono casuali, allora la
loro massa non ha un
valore fisso.
vengono dal
decadimento dell’Higgs,
allora hanno tutte la
stessa massa:
Mγγ = MHiggs
Nicolo Cartiglia -INFN Torino
29
Le particelle elementari
Cosa può capitare? Segnale Higgs forte:
Se il segnale è molto grande, lo si vede facilmente:
Stoccolma Time!!!!
Nicolo Cartiglia -INFN Torino
30
Le particelle elementari
Cosa può capitare? Segnale Higgs nullo:
Se il segnale è non c’è:
Coffe Time!!!!
Nicolo Cartiglia -INFN Torino
31
Le particelle elementari
Cosa può capitare? Segnale Higgs incerto:
Se il segnale è dubbio:
Statistic Time!!!!
Nicolo Cartiglia -INFN Torino
32
Le particelle elementari
Separazione Segnale - Fondo
Bisogna valutare la probabilità che il “fondo”, cioè eventi casuali,
creino dei falsi segnali, cioè degli agglomerati di eventi tutti con la
stessa massa, ma che non sono dovuti all’Higgs
Questo lo si fa introducendo il p-value:
p-value = probabilità che il fondo generi un numero di eventi uguale
o più alto di quelli visti “
Nicolo Cartiglia -INFN Torino
33
Le particelle elementari
P-value per una distribuzione di Poisson
Supponiamo di aspettarci 100 eventi, e ne vediamo 100, 110, 120…
Che probabilità ha l’ipotesi nulla (niente Higgs) di essere corretta?
Valore
Atteso
Valore
Misurato
P-Values
100
100
0.51
100
110
0.17
100
120
0.028
100
130
0.0023
Molto probabile
Poco probabile
Nel bin misuro 110 eventi, vado o non vado a Stoccolma? NO
Nicolo Cartiglia -INFN Torino
34
Le particelle elementari
ATLAS
CMS
Due piccoli picchi,
nello stesso posto:
125 GeV
Ed adesso?
Si aspetta…
Nicolo Cartiglia -INFN Torino
35
Le particelle elementari
E ad altri valori della massa?
La ricerca dell’Higgs è fatta per tanti ipotetici valori di massa, da
circa 110 a 600 GeV.
Per tutti i valori, tranne
~126 GeV, l’ipotesi
nulla (che non ci sia
Higgs) ha un p-value
alto, cioè funziona bene.
Questo fatto ci permette
di dire che tutte le
masse, tranne 120-127
GeV, sono escluse.
Nicolo Cartiglia -INFN Torino
36
Le particelle elementari
Per concludere: è proprio l’Higgs od un’altra particella?
La teoria ci dice con grande
precisione con che frequenza si
produce l’Higgs ed in cosa
decade.
Mr Higgs
Not
Mr Higgs
Nei prossimi anni possiamo
constatare se quello che
abbiamo visto è l’Higgs o
qualche altra meraviglia della
natura
Nicolo Cartiglia -INFN Torino
37
