1. PANORAMA ESISTENTE
Le ricerche della Commissione Scientifica Nazionale 1 sono rivolte a cercare di dare
risposta ad alcuni problemi fondamentali della Fisica delle Particelle Elementari.
In breve le principali domande sono:
Esiste il bosone di Higgs ?
Esiste la SuperSimmetria ?
Quale violazione di CP ha prodotto l’asimmetria tra materia e antimateria
nell’Universo osservabile ?
Per tentare di rispondere a queste domande grandi esperimenti hanno funzionato ,
funzionano e stanno per iniziare la loro avventura scientifica alla frontiera dell’energia o
dell’intensita’. In ciascuno di questi progetti l”INFN ha investito le sue risorse con un
grande contributo intellettuale e tecnologico.
1.1 Ricerca di nuove particelle: Top, Higgs e SUSY
La ricerca di nuove particelle e di nuovi fenomeni costituisce tradizionalmente il
nucleo centrale delle attività del Gruppo I, che si esplica attraverso la partecipazione alle
collaborazioni internazionali coagulate attorno ai colliders adronici ed e+e-. Dopo
l’esplorazione del settore elettro-debole del Modello Standard, cominciato con la scoperta
delle correnti neutre e poi con l’osservazione dei bosoni W e Z da parte di UA1 e UA2 e
proseguita con le misure di precisione di ALEPH, DELPHI, L3 ed OPAL a LEP, si è
passati alla ricerca del quark top. Il quark top è stato scoperto nel 1995 ad opera degli
esperimenti CDF e D0. La misura della sua massa rappresenta un elemento importante per
la comprensione del Modello Standard, in particolare nel settore delle correzioni radiative,
dove fornisce un contributo fondamentale alle determinazioni indirette della massa
dell’Higgs ed alla ricerca di anomalie che possano essere indizio di nuovi fenomeni. CDF è
tuttora impegnato nella determinazione di Mtop, il piu’ recente risultato fornisce Mtop =
173.5 +2.7/-2.6 (stat) +/- 3.0 (syst) GeV/c2, la cui precisione è destinata ad aumentare nei
prossimi anni di presa dati.
La ricerca del Bosone di Higgs e della supersimmetria, cominciata a LEP e a cui
anche CDF ha contribuito, costituisce la principale motivazione per la realizzazione degli
esperimenti “general purpose” ATLAS e CMS che opereranno, a partire dalla seconda metà
del 2007, al collider protone-protone LHC. Nel settore dello Standard Model Higgs,
ATLAS e CMS saranno in grado di coprire l’intervallo di masse tra 80 GeV ed un TeV,
utilizzando il decadimento in due fotoni, in quattro leptoni o nei canali H
H
ZZ
WW
l jj e
lljj. La luminosità integrata richiesta per la scoperta varia tra 50 e 100 fb-1
considerando i vari canali: questi obiettivi dovrebbero essere raggiunti nei primi anni di
presa dati. Completa è pure la copertura che ATLAS e CMS forniscono per lo studio dei
processi supersimmetrici nell’ambito dei modelli di supergravità. Saranno possibili ricerche
dirette degli Higgs del Modello Supersimmetrico Minimale, come pure di squarks a gluini
fino a masse dell’ordine del TeV e di sleptoni fino a 400 GeV. Cruciale in questo contesto
sarà la qualità ed il livello di comprensione dei rivelatori che saranno chiamati a fornire
misure precise dei parametri d’impatto per la determinazione di vertici secondari ed
accurate misure di energia, per l’individuazione di eventi con energia mancante.
Accanto alle ricerche dirette, informazioni sulle teorie supersimmetriche potranno
essere ricavate, a partire dall’inizio del 2007, dall’analisi dei dati dell’esperimento MEG.
Questo esperimento, che opererà su un fascio di muoni al PSI, si prefigge di misurare la
sezione d’urto
e
-14
, ovvero un fattore cento meglio delle
misure attualmente disponibili. Una positiva osservazione di tale decadimento del muone, il
cui branching ratio è trascurabile nel Modello Standard e previsto attorno a 10 -14 in molte
teorie SUSY, costituirebbe una prova indiretta di tali modelli. Anche un risultato negativo
sarebbe di grande utilità, in quanto vincolerebbe in modo stretto le possibili estensioni del
Modello Standard.
1.2 Fisica del K e dei quarks pesanti
Gli esperimenti che hanno raccolto e stanno ancora raccogliendo dati nel campo
della fisica del sapore hanno consentito dei progressi ragguardevoli nella comprensione
della violazione di CP e nella misura degli elementi della matrice CKM.
Basti pensare che nell’ultimo quinquennio si e’ avuta l’osservazione della
violazione diretta di CP nella fisica dei K grazie al risultato di NA48 su
’(Re(’ = 14.7 +/- 1.4 (stat)+/- 1.7 (sist) x 10-4) che ha permesso finalmente
dopo quarant’anni dalla prima osservazione della violazione di CP di attribuire in
maniera certa questo fenomeno al dominio delle interazioni deboli. La fisica di CP
ha fatto un successivo balzo in avanti grazie a BaBar (e all’esperimento competitore
Belle in Giappone) che ne ha osservato la violazione dipendente dal tempo nel
canale paradigmatico B-> J/ Ks. Questa misura ( sin (2= 0.722 +/- 0.040 (stat)
+/- 0.023 (sist)) in accordo con la previsione dei calcoli del Modello Standard ha
permesso di attribuire il fenomeno al dominio di questo modello. Lo stesso
esperimento ha realizzato la prima misura di violazione diretta di CP nella fisica del
B con l’osservazione della differenza nella probabilita’ di decadimento della antiB0>K+- rispetto a B0->K-+ (A = -0.133+/-0.030 (stat) +/- 0.009 (sist)). Mentre
BaBar ha dato un contributo determinante alla misura sia di Vcb che di Vub , KLOE
che opera ai LNF sull’acceleratore DAFNE ha misurato con grande precisione Vus
cancellando precedenti osservazioni che indicavano una possible violazione
dell’unitarieta’ della matrice CKM. Da BaBar ci si aspetta una sistemazione
definitiva dell’intero triangolo unitario attraverso la misura di precisione degli altri
due angoli. Inoltre BaBar ha aperto il capitolo delle nuove risonanze adroniche che
ormai conta diverse particelle sulla cui natura e’ aperto un dibattito teorico vivace.
Esiste anche la speranza di osservare eventuali segnali di Nuova Fisica nei
decadimenti b->s dove alcune discrepanze sono attualmente osservate a livello di
2/3 deviazioni standard. KLOE ha anche dato un contributo fondamentale alla
misura della sezione d’urto adronica a bassa energia. La conoscenza precisa di
questa quantita’ e’ necessaria per poter calcolare il valore predetto dalla QED per
(g-2) e per il calcolo delle correzioni al valore della costante di struttura fine alla
massa dello Z . Tornando alla violazione di CP e’ in preparazione l’esperimento
LHCb al LHC. Questo esperimento, oltre a ripetere le misure gia’ effettuate dagli
esperimenti alle B-factories talvolta con maggiore precisione e’ dedicato allo studio
del
mesone Bs. Da LHCb verra’ una misura precisa del valore di Ms e la
determinazione dell’angolo di rotazione
del triangolo della Bs. La misura
dell’angolo e’ un altro punto di forza dell’esperimento. In questo momento la
fisica del Bs e’ studiata a CDF e ci sono ottime speranze di misurare il valore di
Ms se esso fosse quello previsto dal Modello Standard,
1.3 QCD
Un altro settore di attività del Gruppo I è lo studio delle interazioni forti, responsabili
della coesione dei quark all'interno degli adroni (p.es. protoni e neutroni) e della maggior
parte delle interazioni tra particelle nelle collisioni fra adroni e della formazione degli stati
finali nelle interazioni leptone-nucleone.
La struttura interna del protone è studiata dagli esperimenti ZEUS e H1 al collider
HERA di Amburgo, dove elettroni di 27 GeV collidono contro protoni di 920 GeV,
permettendo di analizzare il protone e i suoi costituenti con una risoluzione inferiore a 10-18
m (i.e. 1/1000 del raggio del protone). Le distribuzioni del momento dei quark e dei gluoni
all'interno del protone, misurate a HERA, sono ingredienti fondamentali per il calcolo di
tutti i processi originati da collisioni adroniche a Tevatron o a LHC e permettono inoltre la
verifica della QCD con alta precisione e lo studio di regioni dove la teoria non è ancora ben
capita (basso x, diffrazione). I dati raccolti ad HERA dal 1992 al 2000 hanno permesso di
misurare la struttura del protone ad alto Q2 e basso x, ampliando di vari ordini di grandezza
la regione misurata rispetto ai precedenti esperimenti a bersaglio fisso. I risultati del run
corrente ad alta luminosità con fasci di elettroni e positroni polarizzati, che durerà fino a
giugno 2007, porterà a un sostanziale aumento della precisione nelle regioni ad alto Q2. Un
risultato inaspettato di HERA è la alta frazione (circa 10%) di eventi diffrattivi, in cui cioè
il protone rimane intatto, in collisioni ad alto momento trasferito. Utilizzando queste misure
e calcoli di QCD si sono ottenute recentemente le prime stime delle densità di costituenti
del protone in condizioni di diffrazione.
Un'altra delle principali attività di sperimentazione ad HERA e al Tevatron è la
misura sempre più precisa della costante di accoppiamento delle interazioni forti, S, una
delle costanti fondamentali meno conosciute. Alla determinazione di questa costante di
accoppiamento contribuiscono anche le misure delle funzioni di struttura dipendenti dallo
spin quali quelle ottenute da SMC e COMPASS. Infine lo studio della produzione di jet di
particelle, di quark pesanti e di bosoni vettori attraverso i processi forti, in corso a HERA e
al Tevatron, è fondamentale per verificare i calcoli di QCD e per ottenere una buona
comprensione dei meccanismi responsabili della produzione di nuove particelle (Higgs,
Supersimmetria) nelle collisioni adroniche (LHC).
COMPASS, in presa dati dal 2002 al SPS del CERN, è un esperimento dedicato a
esplorare la struttura di spin del nucleone. Attraverso la determinazione dell’asimmetria di
elicità della sezione d’urto del processo di fusione fotone-gluone, realizzato tramite
collisioni di muoni su un bersaglio di deuterio polarizzato, è possibile determinare la
polarizzazione del gluone (G/G). Il risultato ottenuto dall’analisi dei dati del 2002 e 2003
a Q2 < 1 Gev2 è G/G = 0.024 ± 0.089(stat) ± 0.057(syst). Tale risultato verrà aggiornato
includendo la statistica completa ed aggiungendo la selezione tramite “open charm”.
COMPASS continuerà la presa dati fino al 2010 completando il programma di misure delle
funzioni di distribuzione di spin e spin trasverso di quark e gluoni.
TOTEM è un esperimento progettato per la misura della sezione d’urto totale
protone-protone all’energia nel centro di massa di LHC con la precisione di 1 mb. Questo
risultato consentira’ di discriminare tra i diversi modelli teorici che sono stati usati per
estrapolare a 14 TeV i dati della sezione d’urto totale protone. L’apparato sperimentale
consiste di tracciatori inseriti in prossimità del fascio a 147 m e 220 m dal punto di
interazione, per la misura della sezione d’urto elastica fino a momenti trasferiti dell’ordine
di –t = 10-3 GeV2, e di tracciatori a piccolo angolo ( 3 < < 6.8) per la misura della
sezione d’urto anelastica. TOTEM potra’ anche eseguire misure di processi diffrattivi,
continuando quindi gli studi iniziati da HERA ed H1. Esso garantira’ anche la corretta
normalizzazione delle misure di luminosità ad LHC.
