La fisica delle alte energie: il bosone di Higgs e oltre

Proff. Attilio Andreazza e Marcello Fanti
La fisica delle alte energie:
il bosone di Higgs e oltre
[email protected]
Una storia cominciata 50 anni fa . . .
Anni ’60 del secolo scorso
P.Higgs, ed indipendentemente F.Englert e R.Brout, proposero un meccanismo
per spiegare la massa delle particelle fondamentali: questa sarebbe generata
dall’interazione con un “campo quantico” che permea tutto l’universo.
Se questa teoria fosse vera, questo campo potrebbe “materializzarsi” in una
nuova particella: il bosone di Higgs, che dovrebbe essere osservabile
“we have a discovery”
4 luglio 2012
Gli esperimenti ATLAS e CMS al CERN annunciano la scoperta di una nuova
particella, trovata analizzando le particelle prodotte nelle collisioni fra protoni
di LHC
Primavera 2013
Studi più approfonditi, su una maggiore quantità di dati,
mostrano che le caratteristiche della nuova particella sono
proprio quelle attese: è il bosone di Higgs!
R.Brout 1928–2011
8 ottobre 2013
Premio Nobel a P.Higgs e F.Englert
M. Fanti (Physics Dep., UniMi)
Il bosone di Higgs
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•  Particelle ed interazioni
–  un tuffo nel femtouniverso
•  Il bosone di Higgs
–  da mito a realtà!
•  Una risposta, mille domande.
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A. Andreazza - La fisica della alte energie
LA FISICA DELLE PARTICELLE
Com’è fatta la materia?
. . . solida, liquida o gassosa che sia: è formata di atomi!
. . . eventualmente organizzati in molecole, o in cristalli
gli atomi hanno un nucleo molto piccolo, con carica elettrica positiva,
attorno al quale “saltellano” gli elettroni, molto leggeri e con carica
elettrica negativa
il nucleo è formato da protoni (carica elettrica positiva) e neutroni (neutri,
appunto); protoni e neutroni “pesano” circa 2000 volte più degli elettroni
protoni e neutroni sono a loro volta formati da quarks: ce ne sono due
specie: up e down
protone:
M. Fanti (Physics Dep., UniMi)
neutrone:
Il bosone di Higgs
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Le interazioni fondamentali
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A. Andreazza - La fisica della alte energie
Le interazioni fondamentali
La materia che compone
i corpi celesti è tenuta
insiema dalle
forze gravitazionali.
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A. Andreazza - La fisica della alte energie
Le interazioni fondamentali
La materia che compone
i corpi celesti è tenuta
insiema dalle
forze gravitazionali.
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L’energia del sole ci raggiunge sotto
forma di onde elettromagnetiche.
Le stesse forze che tengono insieme
atomi e molecole.
A. Andreazza - La fisica della alte energie
Le interazioni fondamentali
La materia che compone
i corpi celesti è tenuta
insiema dalle
forze gravitazionali.
L’energia del sole ci raggiunge sotto
forma di onde elettromagnetiche.
Le stesse forze che tengono insieme
atomi e molecole.
L’energia stessa è prodotta da interazioni nucleari deboli e forti.
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A. Andreazza - La fisica della alte energie
RELATIVITÀ
E MECCANICA QUANTISTICA
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A. Andreazza - La fisica della alte energie
Relatività ristretta
A. Einstein
Dinamica degli oggetti in
moto “rapido” (velocità
vicine a quella della luce)
(1905)
E = mc
2
. . . cioè: la massa è una forma di energia
(come energia cinetica, potenziale, termica, radiante. . . )
Inoltre. . .
Le particelle prive di massa si muovono sempre alla velocità della luce c
Le particelle con massa hanno velocità limitate superiormente: v < c
. . . ma le particelle che studiamo sono “molto veloci”, v ' c
L’energia E e la quantità di moto ~p seguono le relazioni: E = p
mc 2
1
(v /c)2
;
(confrontate con le relazioni newtoniane: E = 12 mv 2 ; ~p = m~v , valide per v ⌧ c)
Una relazione importante:
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E2
~p = p
m~v
1
(v /c)2
p 2 = m2
Il bosone di Higgs
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Dualismo onda-particella
(anni 1923–27)
Un fascio di elettroni attraverso un cristallo produce una
figura di di↵razione, tipica dei fenomeni ondulatori, inspiegabile se gli elettroni avessero una natura corpuscolare.
Compton
De Broglie
Bohr
“dualismo onda-particella”: una particella con quantità di moto p ed energia E può avere comportamento ondulatorio, con lunghezza d’onda e
frequenza ⌫ date da:
=
h = 6.626068 · 10
34
h
p
;
⌫=
E
h
J · s è la costante di Planck (molto piccola! . . . ma è lı̀ a governare la meccanica quantistica!)
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Il bosone di Higgs
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I fotoni — ovvero i “quanti” del campo elettromagnetico
E↵etto fotoelettrico (fine XIX secolo)
Metalli colpiti da radiazione e.m. ad alta frequenza (UV) emettono elettroni.
L’energia degli elettroni aumenta con la frequenza ⌫ della radiazione
) si ipotizza che la radiazione sia costituita da quanti (ovvero “granellini”): i fotoni
Essi portano energia proporzionale alla frequenza della radiazione
E = h⌫
(h = 6.626068 · 10 34 J · s è la costante di Planck — mooolto piccola! — ne riparleremo)
(esempio: luce gialla: ' 600 nm ) ⌫ ' 5 · 1014 Hz ) energia di un fotone: E ' 3 · 10
19
J)
Interazioni elettromagnetiche elementari
Vista la stretta connessione fra radiazione e.m. e forze e.m. si ipotizza che a
livello elementare
le interazioni elettromagnetiche siano mediate dallo scambio di fotoni
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Il bosone di Higgs
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Esplorazione di sotto-strutture
e
Ricordiamo:
e
e
Esempio: interazione protone-elettrone
(mediata dallo scambio di un fotone)
elettrone poco deflesso:
) fotone con p “piccolo” e = h/p “grande”
) “vede” il protone come un oggetto omogeneo
elettrone molto deflesso:
) fotone con p più grande e = h/p è più corta
) “vede” la struttura interna del protone
e
γ
quarks
) Cosı̀ è stata scoperta la struttura a quarks dei protoni
Un atomo è “grande” 10 10 m (un decimo di milionesimo di mm)
Un protone è “grande” 10 15 m (un millesimo di miliardesimo di mm)
La luce visibile ha ⇡ 0.5 µm (mezzo millesimo di mm)
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h
p
Particelle più energetiche hanno lunghezze d’onda più
corte ) possono sondare strutture più piccole
γ
protone
=
Il bosone di Higgs
Non si possono “vedere” i quarks
con il microscopio — neanche gli
atomi!
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Anti-particelle
Dirac
E
+mc2
ia
erg )
en
e
ton
(fo
p
E = ± p 2 + m2
elettrone
elettrone
zona proibita
zona proibita
−mc
Nel 1928 P.A.M. Dirac propone l’equazione quantorelativistica dell’elettrone, e
2
positrone (lacuna)
‘‘mare di Dirac’’
(elettroni con E<0)
) esistono soluzioni a energia negativa!
Sono interpretate come anti-particelle
) si prevede l’esistenza del positrone, e +
(una particella “gemella” dell’elettrone, con le stesse proprietà ma carica elettrica opposta)
Anderson
Nel 1932 C.D. Anderson scopre i positroni nei raggi cosmici.
Nel 1936 riesce a produrre coppie elettrone-positrone
bombardando materiali con fotoni
Oggi sappiamo che per molte particelle esistono le corrispondenti anti-particelle (anti-quarks, anti-neutrini, . . . )
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La meccanica quantistica è probabilistica
Se anche conoscessimo perfettamente le condizioni iniziali di un esperimento,
non potremmo prevedere il risultato finale: ripetute interazioni, tutte preparate
nello stesso modo, daranno risultati diversi.
La meccanica quantistica non è deterministica!
Però ci consente di calcolare la probabilità che si produca una certa interazione (piuttosto che altre)
Le reazioni sono completamente casuali?
Non del tutto: ci sono le leggi di conservazione:
energia, quantità di moto, momento angolare, carica elettrica . . .
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Trasformazione delle particelle
W
La massa si conserva?
In generale, NO!
Anzi: particelle leggere, accelerate di molto, possono interagire producendo
particelle più pesanti.
La loro energia cinetica si è convertita in massa
(ricordate E = mc 2 ?)
elettrone
positrone
W
n
ro
o
ic
d
oa
get
to a
dro
nic
t
et
o
g
E il numero di particelle si conserva?
In generale, NO!
Le particelle interagenti possono “scomparire”, e altre, in numero variabile,
appariranno al loro posto: le particelle possono essere “create dal niente” —
a patto di avere un’energia sufficiente a creare le loro masse.
elettrone
positrone
getto adronico
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Particelle virtuali
E se non abbiamo abbastanza energia per produrre particelle massive?
Esse possono essere prodotte lo stesso, in uno stato “virtuale”, cioè vivono
per tempi molto brevi ( t ⇡ h/mc 2: c’è la costante di Planck: questo è un
altro e↵etto quantistico):
Non riescono a propagarsi nello spazio, ma riescono a scambiare interazione
da vicino ) interazione a corto raggio
decadimento inverso
( p ! n e + ⌫e )
Esempio: le interazioni deboli sono trasmesse da particelle W molto massive
(circa 80⇥ massa del protone!)
(in tal caso t ⇡ 5 · 10 26 s . . .
50 miliardesimi di miliardesimi di miliardesimi di secondo!!)
Nota: se il mediatore W fosse privo di massa, le reazioni nucleari nel Sole
sarebbero molto diverse: invece che p p ! d e + ⌫e avremmo p p ! d W +,
con particelle W che si propagherebbero alla velocità della luce, ed eventualmente altererebbero i nuclei atomici di tutto ciò che incontrano, trasformandoli
in isotopi radioattivi!!!
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Il bosone di Higgs
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Riassumendo: lo “zoo” delle particelle
interazione elettromagnetica
(tiene gli elettroni uniti nell’atomo)
mediata dai fotoni (privi di massa)
. . . che costituiscono anche la luce
1 GeV !
protone
interazione forte
(tiene i quarks uniti nel protone)
mediata dai gluoni (privi di massa)
interazione debole
(trasformazioni protone $ neutrone)
mediata dai bosoni W,Z
molto massivi
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Il bosone di Higgs
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Una gerarchia di masse vastissima!
Materia “ordinaria”
(ovvero: particelle che troviamo negli atomi)
fermioni leggeri: elettroni, quarks up e down, neutrini
Materia “pesante”
due “repliche” di fermioni che di↵eriscono dalla prima
generazione per le masse
non esistono nella materia ordinaria: le interazioni
atomiche e nucleari non hanno abbastanza energia
per produrle
sono prodotte nelle collisioni di particelle molto
energetiche: agli acceleratori e nei raggi cosmici
appena prodotte, decadono rapidamente in particelle
più leggere
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1 GeV !
Il bosone di Higgs
protone
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VEDERE IL FEMTOUNIVERSO
22
A. Andreazza - La fisica della alte energie
Che cosa fa un esperimento?
La meccanica quantistica ci permette di formulare dei modelli matematici, che partendo da pochi principi e pochi
parametri, permetta di predire le proprietà delle particelle fondamentali e le loro interazioni
Un esperimento deve verificare se il modello descrive correttamente la realtà
Per studiare le proprietà delle particelle dobbiamo farle “reagire”
) Le reazioni che osserviamo sono compatibili con le previsioni del modello?
La meccanica quantistica è probabilistica ) un esperimento deve consistere di molte osservazioni ripetute
Gli esperimenti possono confermare il modello, ra↵orzandolo.
Oppure possono rilevare discrepanze.
Queste, se confermate, porterebbero a nuove scoperte e a una riformulazione del modello
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Il bosone di Higgs
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Il CERN
E. Amaldi
Una nuova visione del futuro
…abbiamo rivolto la nostra attenzione alla creazione di questo nuovo ente
internazionale, un laboratorio o un istituto dove sia possibile effettuare
ricerca scientifica al di là del quadro nazionale dei vari stati membri [...] un
ente dotato di risorse maggiori di quelle disponibili ai laboratori nazionali
che possa quindi farsi carico di compiti le cui dimensioni e la cui natura
siano tali che i singoli stati non possono svolgerli da soli…
Louis de Broglie, 1949
24
A. Andreazza - La fisica della alte energie
Il Large Hadron Collider
(LHC)
Per produrre particelle massive è necessaria energia: E = mc 2
Il Large Hadron Collider (LHC) del CERN di Ginevra è attualmente il più potente acceleratore al mondo.
Lunghezza del tunnel: ⇠ 27 km (diametro 8.6 km)
Circa 1014 (cioè centomila miliardi) protoni in ciascun
fascio, ciascun protone con un’energia di 4 TeV (cioè
4000 GeV): energia totale di ciascun fascio 6 · 107 J (60
milioni di Joule — l’energia cinetica di 100 automobili che
viaggiano a 130 km/h, o di un treno TGV a 200 km/h)
I fasci collidono 40 milioni di volte al secondo,
producendo “interazioni”, e
quindi particelle che entrano nel rivelatore. Gli
esperimenti osservano rapidamente tutte le interazioni, e “scelgono” quelle interessanti ad un ritmo di
300 al secondo
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Acceleratori di particelle
26
Curvatura
Accelerazione
Magneti superconduttori
Cavita a radiofrequenza
A. Andreazza - La fisica della alte energie
Gli esperimenti ATLAS e CMS a LHC
CMS
ATLAS
Le caratteristiche
esperimenti multi-funzionali, composti da diversi
rivelatori concentrici
copertura di tutto l’angolo solido, elevata granularità
spaziale (milioni i canali elettronici)
elevata velocità di acquisizione dati (ogni 25 ns)
elevata resistenza alla radiazione
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Una storia ventennale
concepiti nel 1992, approvati nel 1995
costruzione iniziata nel 1997
test di prototipi su fasci di prova: 1998 – 2004
assemblaggio: 2003 – 2007
test con raggi cosmici: 2008 – 2009
inizio operazioni LHC: fine 2009
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Che cosa vedono i nostri rivelatori?
Alcune particelle sono stabili, o per
lo meno riescono ad attraversare
tutto il rivelatore prima di decadere.
Queste hanno “firme” ben precise
e distinguibili, combinando le informazioni dei vari rivelatori.
Le particelle pesanti decadono rapidamente in particelle più leggere
Il rivelatore osserva solo i prodotti
finali di decadimento.
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IL BOSONE DI HIGGS
Simmetrie e problema delle masse
•  Ogni interazione è descrivibile come
combinazione di processi fondamentali.
–  Si possono calcolare le probabilità
quantistiche associate alle interazioni.
•  Ma la stessa reazione può avvenire atraverso un
numero potenialmente infinto di processi sempre
più complessi
•  Il Modello Standard possiede alcune simmetrie
(simmetrie di gauge) che garantiscono che il
calcolo converga comunque.
•  ...ma le masse delle particelle rompono tali
simmetrie!
Come introdurre le masse nel modello, senza
rinunciare alle simmetrie?
30
A. Andreazza - La fisica della alte energie
Il “meccanismo di Higgs” e la generazione delle masse
[ Che cos’è la massa di una particella?
p
Relatività ) m = E 2
p2
(E =energia, p=quantità di moto) ]
Tutte le particelle sarebbero “naturalmente” prive di massa e viaggerebbero alla velocità della luce — come i fotoni.
Il “campo di Higgs” riempie uniformemente tutto lo spazio
Tutte le particelle necessariamente devono attraversare il campo di Higgs
. . . .
c a m p o
d i
. . . come un mare calmo
. . . come navi che solcano il mare
“particella poco interagente”:
H i g g s . . . .
particella
molto interagente
eccitazione del
campo di Higgs
particella
poco interagente
particella molto interagente
che cede energia al campo
“particella molto interagente”:
Una particella interagente scambia energia / quantità di moto col campo di
Higgs
) rallenta, aquisisce massa in maniera dinamica (modificando E , p)
) può creare una perturbazione al campo di Higgs con energia sufficiente a
produrre un quanto osservabile: il bosone di Higgs
Se si riescono ad osservare queste perturbazioni, si può provare l’esistenza del campo di Higgs
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Separazione del segnale dal fondo
Questi sono i dati che osserviamo: contengono sicuramente il fondo, e (forse) il segnale (cioè l’Higgs)
Events / 2 GeV
eventi con due fotoni:
Definiamo la massa invariante dei due fotoni (
q
def
m = (E 1 + E 2 )2 |~p 1 + ~p 2 |2
10000
Selected diphoton sample
Data 2011+2012
Sig+Bkg Fit (m =126.8 GeV)
H
Bkg (4th order polynomial)
8000
Nel decadimento H !
l’energia totale e la quantità
di moto totale si conservano:
ATLAS Preliminary
H→γ γ
6000
):
4000
∫
s = 8 TeV, ∫ Ldt = 20.7 fb
-1
s = 7 TeV, Ldt = 4.8 fb
Events - Fitted bkg
2000
EHiggs = E 1 + E
-1
500
100
400
300
200
100
0
-100
-200
110
100
110
120
130
140
150
2
;
~pHiggs = ~p 1 + ~p
2
160
pertanto:
2
2
mHiggs
= EHiggs
120
130
140
150
|~pHiggs |2 = m2
160
mγ γ [GeV]
Per ogni evento
si calcola la massa invariante m :
se i fotoni provengono da un decadimento H !
ci aspettiamo m ' mH (risoluzione sperimentale)
altrimenti m è “sparpagliata” (niente vincola la cinematica dei due fotoni)
) Cerchiamo un “eccesso di eventi” ben localizzato sopra un “fondo” continuo
Un “eccesso” è segnale o fluttuazione statistica?
Occorre valutare qual è la probabilità che i nostri dati siano causati da una fluttuazione del fondo.
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Osservazioni di ATLAS e CMS
canale
canale 4`
Events/5 GeV
Events / 2 GeV
ATLAS
10000
Selected diphoton sample
Data 2011+2012
Sig+Bkg Fit (m =126.8 GeV)
H
Bkg (4th order polynomial)
8000
60
Data
50
Background Z+jets, tt
Signal (m =125 GeV)
40
Syst.Unc.
ATLAS Preliminary
H→γ γ
6000
∫
s = 8 TeV, ∫ Ldt = 20.7 fb
-1
s = 7 TeV, Ldt = 4.8 fb
Events - Fitted bkg
110
100
110
120
130
140
150
s = 8 TeV: ∫Ldt = 20.7 fb-1
160
20
10
120
130
140
150
0
160
mγ γ [GeV]
100
canale
5000
4000
CMS Preliminary
s = 7 TeV, L = 5.1 fb-1 (MVA)
s = 8 TeV, L = 19.6 fb-1 (MVA)
150
200
250
m4l [GeV]
canale 4`
Data
S+B Fit
Bkg Fit Component
±1 σ
±2 σ
3000
Events / 3 GeV
CMS
S/(S+B) Weighted Events / 1.5 GeV
s = 7 TeV: ∫Ldt = 4.6 fb-1
30
-1
500
100
400
300
200
100
0
-100
-200
(*)
H→ZZ →4l
H
4000
2000
ATLAS Preliminary
(*)
Background ZZ
35
-1
s = 7 TeV, L = 5.1 fb ; s = 8 TeV, L = 19.6 fb
CMS Preliminary
-1
Data
30
*
Zγ ,ZZ
25
mH=126 GeV
15
10
1000
0
) 4 osservazioni indipendenti!!
tutte significative!!!
Z+X
20
2000
Ciascun dei due esperimenti osserva
un eccesso in due canali indipendenti: due fotoni (H ! ) e quattro leptoni (H ! 4`)
Probabilità che sia una fluttuazione
statistica del fondo:
< 10 10 :
meno di una su 10 miliardi!
5
110
120
130
140
150
0
80
100
120
mγ γ (GeV)
140
160
180
m4l [GeV]
In tutti i casi l’eccesso è localizzato intorno a 125 GeV
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Il bosone di Higgs
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È davvero il bosone di Higgs?
OK, abbiamo una scoperta! una nuova particella, con massa ' 125 GeV
Che cos’è?
Se è davvero il bosone di Higgs, deve avere alcune caratteristiche ben precise:
deve interagire preferenzialmente con particelle massive
deve avere spin = 0
Gli esperimenti ATLAS e CMS hanno raccolto molti dati, dal 2010 al 2012.
Li abbiamo analizzati, e i risultati sono compatibili con quanto ci aspettiamo
dal bosone di Higgs.
λ or (g/2v)1/2
CMS Preliminary
-1
s = 7 TeV, L ≤ 5.1 fb
-1
s = 8 TeV, L ≤ 19.6 fb
68% CL
t
95% CL
1
WZ
10-1
b
È lui! L’abbiamo smascherato
Il meccanismo di Higgs è confermato!
Sappiamo perché le particelle hanno
massa.
τ
-2
10
1
2 3 45
10 20
100 200
mass (GeV)
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Questo è il frutto di una collaborazione scientifica a livello mondiale:
un esempio di “società globale” che ha superato le di↵erenze culturali per conseguire obiettivi comuni, scientifici e
tecnologici, altrimenti impossibili da raggiungere.
Ciascuna delle Collaborazioni ATLAS e CMS coinvolgono:
Circa 3000 scienziati e 1000 tecnici/ingegneri
provenienti da circa 200 istituzioni (università, laboratori, istituti di ricerca)
di circa 40 Paesi del mondo
Costo totale (acceleratore + esperimenti): circa 7.5 miliardi di e
. . . divisi per i Paesi e gli anni di investimento, fa circa 1 e all’anno per ciascun adulto!
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Il bosone di Higgs
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UNA RISPOSTA,
MILLE DOMANDE
Abbiamo osservato il bosone di Higgs, ma non è tutto!
È l’unica particella che interagisce
con tutte le altre!
Dobbiamo verificare con accuratezza
tutte queste interazioni.
E ci sono altre domande cui bisogna
trovare risposta:
•  Esistono solo tre famiglie di
materia? Perché?
•  Perché l’universo è fatto di
materia e nondi anti materia?
17
A. Andreazza - La fisica della alte energie
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Il bosone di Higgs
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Quanto conosciamo del nostro universo?
La materia “ordinaria” (cioè fatta di particelle che possono formare atomi) non è sufficiente a descrivere la rotazione
delle galassie ) materia oscura
Ma entrambe non spiegano l’espansione dell’universo osservata (galassie lontane) ) energia oscura
La materia “ordinaria” è solo il 4%. Il resto che cos’è?
Materia oscura ed energia oscura DEVONO esistere: ne abbiamo evidenza
indiretta.
Ma che cosa siano, non lo sappiamo.
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Supersimmetria
•  Nel Modello Standard: materia
fermioni
interazioni
bosoni
spin ½
spin 1
•  Supersimmetria:
fermioni ⟷ bosoni
•  Nuove particelle riflessioni di quelle note.
–  potrebbe spiegare materia oscura e fornire unificazione tra le forze.
39
A. Andreazza - La fisica della alte energie
Guardando al futuro . . .
Il Modello Standard non è una teoria “finale”. Ci sono ancora molti fenomeni che restano inspiegati.
Esistono teorie (Grandi Unificazioni, Supersimmetria. . . ) che estendono il Modello Standard e che potrebbero fornire
alcuni chiarimenti. . .
Se queste teorie fossero vere, ci aspetteremmo altre nuove particelle, ma ancora non le abbiamo trovate.
. . . In e↵etti, non sappiamo a quale energia potrebbero essere prodotte.
Nel 2015 LHC riprenderà a funzionare con energia raddoppiata ) un più vasto
“territorio” da esplorare
Fasci molto più intensi ) molti più eventi da studiare (. . . e molto più fondo!)
Speriamo tutti che la nuova fase di LHC ci porti risposte, almeno ad alcuni di
questi interrogativi. . .
. . . ma non possiamo “prevederlo”: stiamo facendo “ricerca”!
M. Fanti (Physics Dep., UniMi)
Il bosone di Higgs
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Where the Web Was born
Tim Berners-Lee, ritratto al CERN con il computer
NeXT su cui inventò il World Wide Web (foto: CERN)
41
A. Andreazza - La fisica della alte energie
Higgs per tutti!
https://www.kaggle.com/c/higgs-boson
Segnali sempre più
difficili da distinguere dal fondo, richiedono tecniche di
analisi dati sempre
più elaborate.
Vogliamo nuove idee!
Chiunque può confrontarsi con la sfida
dell’Higgs:
riconoscere eventi
simulati H ττ.
42
A. Andreazza - La fisica della alte energie