International Masterclasses 2017
Il Bosone Z
Prof. Camilla Di Donato
Dott. Paolo Massarotti
Non perdiamo tempo…
Ci aspetta un viaggio alla scoperta degli elementi più piccoli che
costituiscono la materia! Impareremo cosa sta succedendo 100 m
sotto terra al laboratorio CERN, all'acceleratore LHC (Large Hadron
Collider), un collisionatore circolare con una circonferenza di 27 km
• Lanciate Hipatya
• Caricate gli eventi del set che vi è stato assegnato
AL LAVORO!
Ecco la Fisica fisica del XXI secolo
Le immagini (event-displays) contengono un insieme di eventi
prodotti da collisioni pp a 7 TeV (2011) con:
• bosoni Z (ed altre particelle) che decadono in coppie elettronepositrone e muone-antimuone,
• candidati Higgs in coppie fotone-fotone,
• candidati Higgs in 4 leptoni,
• ma anche tipologie completamente diverse di prodotti di collisioni
che definiamo eventi di fondo - come getti (fiotti di particelle)
originati da quark e gluoni, e bosoni W
Particelle: Z(91 GeV) Jpsi(3 GeV), Upsilon(10 GeV)
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Il bosone Z è il mediatore, neutro,
della forza elettrodebole. Essendo
neutro la somma delle cariche
elettriche delle particelle in cui
decade deve essere zero, affinché
si conservi in natura la carica
elettrica.
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Quando le particelle attraversano
il rivelatore lasciano dei segnali
elettronici o “impronte”
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il rivelatore ATLAS – una specie di
macchina fotografica digitale, che
registra ciò che avviene quando
due protoni collidono
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Per essere sicuro che una
praticella sia stata
effettivamente creata
nella collisione, non
basta riconoscere i suoi
prodotti di decadimento,
quali ad esempio coppie
muone-antimuone,
elettrone-positrone o
fotone-fotone, ma è
necessario anche
ricostruire la massa
della particella che è
decaduta
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Analizzeremo i dati reali raccolti
di recente dall’esperimento ATLAS
per riscoprire il bosone Z e cercare
altre particelle come il bosone di
Higgs.
Useremo le conoscenze acquisite
sulle particelle e un po' di fisica
elementare, e gli strumenti che
servono per trovare anche il
bosone di Higgs o ”scoprire” nuove
particelle mai osservate prima in
Natura, come la Z', un ipotetico
fratello pesante del bosone Z.
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Ipazia (Alessandria d’Egitto, 370-415) fu una
matematica, astronoma e filosofa greca.
Rappresentante della filosofia neo-platonica
pagana, uccisa da una folla di cristiani fanatici,
considerata una martire del paganesimo e della
libertà di pensiero.
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Quali sono i segnali lasciati come impronte nel rivelatore dalle
particelle elementari:
Electrons and photons:
• Leave energy-deposit in E-Cal
Protons and neutrons:
• Leave energy deposit in H-Cal (and
Elettrone
Elettrone
Muone
Muone
Neutrino
Jets
Fotone
Cosa Fare, step by step
Per ogni evento cercate un segnale tipo:
• Bosone Z: coppie e+e-, µ+µ• Bosone di Higgs: coppie γγ
• Bosone di Higgs: coppie di due leptoni
– e+e-e+e-, µ+µ-µ+µ-, µ+µ-e+e-
• Fondo: evento che NON appartiene alle categorie
indicate; ignoratelo e andate avanti!
Gli eventi sono finiti?
Export Invariant Mass Table:
• HYPATHIA: File->Export Invariant Masses
– Salvate sul desktop il file “Invariant_Masses.txt”
• Aprite il Browser e collegatevi alla pagina:
– http://cernmasterclass.uio.no/OPloT/index.php
• Selezionate dal menu “Student”
• Scegliete la data, l’istituto e selezionate il gruppo e
la lettera che vi sono stati assegnati, per caricare il
file Invariant_Masses.txt
LOGIN: ippog – Passwd: imc
Cosa abbiamo visto?
Analisi dei Risultati
Misura con due leptoni
• Confronta gli istogrammi delle coppie elettrone-positrone e muone-antimuone
– Noti delle differenze/somiglianze?
– Con che frequenza il bosone Z decade in coppie elettrone-positrone? E in coppie
muone-antimuone?
– Cosa ti aspettavi? Perché?
– Osservi altre particelle? Con che valori di massa?
• Qual'è la massa più probabile del bosone Z?
– Perché non si ottiene un valore esatto per la massa?
– Quale può essere la spiegazione per una larghezza così grande?
• Hai scoperto il bosone Z'?
– Se pensi di si, quanto vale la massa del bosone Z'?
• Perché è utile combinare i tuoi risultati con quelli ottenuti da altri gruppi?
Analisi dei Risultati
Misura con due fotoni
• Hai osservato qualche traccia di un decadimento di un bosone di Higgs in 2
fotoni: H→γγ?
– In caso negativo, quale può esserne la ragione?
– Ricorda che il campione che hai analizzato include effettivamente qualche
candidato Higgs reale.
Misura con 4 leptoni
• Hai osservato qualche traccia di un decadimento di un bosone di Higgs in 4
leptoni: H→ZZ→llll?
– In caso negativo, quale può esserne la ragione?
– In caso affermativo, a quale massa si osserva l’Higgs? Il campione che hai
analizzato contiene un evento candidato Higgs reale in quattro leptoni.
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