La ricerca del bosone di Higgs al CERN di Ginevra con l

La ricerca del bosone di Higgs
al CERN di Ginevra
con l’acceleratore LHC
Andrea Bizzeti
Università di Modena e Reggio Emilia
Dipartimento di Scienze Fisiche, Informatiche e Matematiche
Physics Class, Modena 03-06-2013
La materia nell’Universo: ordini di grandezza
107 m
Una galassia
è 100.000.000.000.000 (1014 ) volte più grande della Terra
contiene 1.000.000.000.000 (1012 ) stelle
Nell’Universo ci sono 100.000.000.000 (1011 ) galassie . . .
. . . per un totale di 10.000.000.000.000.000.000.000 (1022 ) stelle
Milky Way
Gigi Rolandi - CERN
7/6/11
Tutte composte dagli stessi identici elementi di materia
atomi
nuclei
+ elettroni
protoni/neutroni
quark
Nell’Universo ci sono
100.000.000.000.000.000.000.000.000.000
000.000.000.000.000.000.000.000.000.000
000.000.000.000.000.000.000 (1080 )
quark, tutti identici tra loro e che si sono formati
nei primissimi istanti di vita dell’Universo
14 miliardi di anni
-
BIG BANG
OGGI
Al CERN di Ginevra studiamo le interazioni della materia
nelle condizioni esistenti pochi attimi dopo il Big Bang
e che hanno determinato l’evoluzione dell’Universo
nella forma che conosciamo oggi
Il CERN – Organizzazione Europea per la Ricerca Nucleare
I
Fondato nel 1954
I
20 Stati membri
I
In Svizzera e in Francia,
vicino alla città di Ginevra
I
Esperimenti con acceleratori
e rivelatori di particelle
I
Luogo di nascita del
“World Wide Web”
I
http://cern.ch/
Large Hadron Collider (LHC)
Una enorme macchina costruita al CERN per fare scoperte
nel campo della fisica delle particelle
LHC può mostrare il prossimo passo
nella comprensione della materia
Filosofia
Scienza classica
Meccanica Quantistica
Empedocle
492–432 a.C.
Mendeleev
19◦ secolo
Rutherford, Bohr
20◦ secolo
4 elementi
fondamentali
Tavola Periodica
∼ 100 elementi
3 particelle: elettrone,
protone, neutrone
La struttura elementare della materia oggi
Protoni e Neutroni
sono fatti di QUARK
≤
che sono tenuti insieme
da GLUONI
Visione moderna dei costituenti della Natura
MATERIA
FORZE
Interazione forte.
Per rimuovere un
protone da un nucleo
occorrono 10 MeV
∼ 10.000.000
Interazione elettromagnetica.
Per rimuovere un elettrone da
un atomo occorrono 10 eV
∼ 10
Interazione debole
(fusione nucleare nel Sole
p + p → 2 H + e + + νe )
È tutto qui ?
LHC è il prossimo passo in avanti
per studiare due questioni fondamentali:
• quali sono i veri costituenti fondamentali della materia
I Sono i quark e i leptoni davvero puntiformi?
I Esistono altre particelle elementari?
• quali sono le forze attraverso cui interagiscono
I
Esistono altre forze “superforti” o “superdeboli”?
LHC ci permette di ricreare particelle fondamentali
non piu viste da 10−12 s dopo il Big Bang
I misteri dell’Universo
I
Come era l’Universo subito dopo il Big Bang ?
I
Qual è la natura della “materia oscura” ?
non si vede, ma influisce sul moto delle stelle
I
Cosa è successo all’anti-materia ?
subito dopo il Big Bang ce ne era in abbondanza
I
Ci sono altre dimensioni ?
LHC può cercare le risposte anche a queste domande
LHC missione n. 1: il mistero della massa
Materia, massa ed energia
Newton: F = m a
I
L’accelerazione di un corpo sottoposto all’azione
di una determinata forza F è inversamente
proporzionale alla sua massa
I
Equivalenza tra massa inerziale e gravitazionale
Einstein: E = m c 2
I
La massa possiede energia
I
Particelle senza massa viaggiano alla
velocità della luce
I
Particelle massive viaggiano più lente
I
La massa rende curvo lo spazio-tempo
I misteri della massa
I
La definizione di Newton della massa è andata bene
agli scienziati per più di 200 anni
I
La scienza ha descritto come si comporta la massa
prima di capire il perché
I
Questo perché è oggi un attivissimo campo di ricerca
Capire l’origine della massa completerà o estenderà
il Modello Standard, che descrive tutte le particelle
elementari note e le loro interazioni
Il Modello Standard
una descrizione semplice ed elegante della Natura
I
Combinazione di Meccanica
Quantistica e Relatività ristretta
I
Una teoria quantistica dei CAMPI
I
Ingredienti base sono i CAMPI,
inclusi il campo elettrico
ed il campo magnetico
Un esempio: il campo elettrico
I
I
I
I
separa “azione” e “reazione”
si propaga alla velocità della luce
la sua energia è quantizzata → fotoni
i fotoni non interagiscono tra di loro
La massa delle particelle
spazia su 11 ordini di grandezza: perché?
Masse in GeV/c 2 (' Mprotone )
Mprotone
I
Gli esperimenti hanno misurato le
masse delle particelle elementari
I
Non c’è nessuna regolarità
I
I neutrini sono molto leggeri
I
L’elettrone è 350.000 volte più
leggero del quark più pesante
I
Il fotone è privo di massa, ma
i bosoni W e Z pesano circa
quanto un atomo di argento!
Un problema massiccio . . .
I
Il Modello Standard non è in grado di prevedere i valori
delle masse
I
e, peggio ancora, nella teoria originale tutte le particelle
non hanno massa!
I
Un mondo con quark ed elettroni di massa nulla sarebbe
molto diverso da quello attuale:
• tutte le particelle si muoverebbero costantemente alla
velocità della luce
• non ci sarebbero gli atomi, la tavola periodica, le stelle,
la chimica, la biologia, non ci saremmo neppure noi!
. . . risolto con un trucco
Bisogna aggiungere al Modello Standard
un campo diverso da tutti gli altri.
Il campo di Higgs:
I
scalare (senza spin)
I
interagisce con se stesso
I
nel vuoto è diverso da zero !
Le particelle acquistano massa
interagendo con il campo di Higgs:
più forte è l’interazione,
maggiore è la massa.
Un campo diverso da zero nel vuoto?
I
I
I
Il vuoto è lo stato di minima energia
(ogni particella possiede una energia positiva)
Tutti i campi “normali” hanno energia minima se valgono zero
Perchè il campo di Higgs fa eccezione?
Rottura spontanea di una simmetria:
leggi fisiche simmetriche, ma stato di minima energia NO !
Esempi:
I
tavola rotonda apparecchiata
(tovagliolo a destra/sinistra)
I
sbarretta cilindrica compressa
(rotazione intorno all’asse z)
⇒
del campo magnetico in un
materiale ferromagnetico
⇒
I
Il campo di Higgs: una congettura
All’inizio:
I
L’Universo è caldo e “simmetrico”
I
il campo (medio) di Higgs nel vuoto vale zero
I
Il fotone e i bosoni W e Z hanno massa nulla
Poi:
I
l’Universo si raffredda, avviene una “transizione di fase”,
si rompe la simmetria . . .
. . . e il campo di Higgs nel vuoto non è più zero !
Il campo di Higgs: riepilogo
I
l’Universo è completamente permeato dal campo di Higgs,
che si trova ovunque e non può essere schermato
I
le particelle acquistano massa interagendo con questo campo
I
più forte una particella interagisce con il campo di Higgs
più la particella è massiva
I
il fotone non interagisce → la sua massa è nulla
I
W e Z interagiscono molto → sono quindi molto massivi,
circa quanto un atomo di argento
Higgs o non Higgs?
Il campo di Higgs è solo un trucco matematico,
o è la vera descrizione dell’origine della massa?
Possiamo scoprirlo!
Infatti, se il campo di Higgs esiste allora deve
esistere una particella nuova, il bosone di Higgs,
le cui interazioni con le altre particelle sono
univocamente previste dalla teoria.
Per cercare il bosone di Higgs servono:
1. Acceleratore: una macchina potente per accelerare i protoni
e farli scontrare
2. Rivelatori: giganteschi strumenti che registrano le particelle
prodotte nella collisione tra protoni
3. Supercomputing: per raccogliere, conservare, distribuire e
analizzare l’enorme quantità di dati prodotti dai rivelatori
4. Scienza collaborativa su scala mondiale: migliaia di scienziati
e ingegneri per progettare, costruire e operare queste
macchine molto complesse
Acceleratori di Particelle come LHC
Sono microscopi potentissimi e
ci permettono di guardare più a
fondo nella Natura λ ∼ hc/E
×1 000 000 000 000
De Broglie
× 10 000
Einstein
Possono produrre particelle di
massa molto grande E = m c 2
Ci permettono di studiare l’Universo quando era giovanissimo e
caldissimo E = k T
0, 000 000 000 001 s
1017 K
Boltzmann
Rivisitiamo i primissimi istanti dell’Universo per osservare
particelle e fenomeni che oggi non avvengo più
Come è fatto un acceleratore?
~
F~ = q E~ + ~v × B
Lorentz
Bombola di
idrogeno
Campo
elettrico
Campo
magnetico
Il Large Hadron Collider
I
I protoni sono accelerati da potenti
campi elettrici fino a velocità prossime
a quella della luce
I
Sono guidati lungo le loro traiettorie da
potenti magneti superconduttori
I
Il loro campo magnetico raggiunge
8.3 Tesla (200 000 volte quello terrestre)
I
I magneti lavorano a 1.9 K (−271◦ C )
in elio superfluido
I
I protoni viaggiano in un tubo che è a
vuoto spinto e a temperatura più bassa
che lo spazio interplanetario
Campo elettrico per accelerare i protoni
Cavità superconduttrici ad alta frequenza
I protoni “cavalcano” le onde elettromagnetiche
Campo magnetico per far curvare i protoni
I magneti superconduttori
mantengono i protoni su traiettorie circolari
Il tunnel di LHC: 100 metri sotto terra, lungo 27 km
I rivelatori di particelle
Apparecchi fotografici velocissimi . . .
. . . e molto sofisticati
I rivelatori di particelle
Strati concentrici di “macchine forografiche”
per misurare la direzione e l’energia
delle particelle prodotte nella collisione
I rivelatori di particelle a LHC: 6 esperimenti
Ricerca del bosone di Higgs
ATLAS
CMS
Collisioni tra nuclei: ALICE
Materia e anti-materia: LHCb
ALICE
LHCb
Misure “in avanti”:
LHCf e TOTEM
CMS (in costruzione)
uomini
ATLAS
(L=46 m, H=25 m)
ATLAS (in costruzione)
UOMO
Enormi rivelatori di particelle
più precisi di un orologio svizzero
Edificio di 5 piani!
ATLAS !
CMS !
Fotografia di una collisione interessante
Raccogliere e analizzare i dati
Selezione, distribuzione e analisi dei dati
Rivelatore = 100 Megapixel
Prende 40 milioni di foto al secondo
Prima selezione delle fotografie:
100 000 al secondo, ∼1 Mbyte ognuna
Analizzate da una “farm” di computer
con 50 000 CPU cores
Ogni secondo le migliori 200 − 300 fotografie sono registrate: ∼ 10 milioni
di Gigabyte/anno (3 milioni di DVD)
Distribuite in tutto il mondo
Il traffico di dati
Il traffico di dati in
un esperimento a LHC
(∼ 500 Gigabit/s)
è equivalente a tutto
il traffico mondiale
istantaneo di telefonia
Una GRID per una collaborazione mondiale
Migliaia di scienziati, da centinaia di Università e Laboratori
in decine di Paesi collaborano a questi esperimenti
La Grid è una infrastruttura che permette l’accesso trasparente
alla potenza di calcolo e ai dati distribuiti in tutto il mondo
Collega 100 000 computer in 34 paesi
con linee di trasmissione dati ultraveloci
In un anno milioni di Gigabyte di dati viaggiano attorno al mondo
Abbiamo ora tutto quello che serve:
• Acceleratore
Peter Higgs visits CMS
• Rivelatori
• Supercomputing
• Scienziati
per iniziare la caccia al bosone di Higgs
Cosa sappiamo del bosone di Higgs?
I
È prodotto molto raramente
I
Si disintegra immediatamente
in altre particelle
I
Dobbiamo fotografarle e
misurarle tutte se vogliamo
“ricostruire” il bosone di Higgs
I
In quali particelle decade
dipende dalla sua massa
I
Non sappiamo la massa. . .
. . . e quindi dobbiamo cercare
ovunque
Cosa sappiamo del bosone di Higgs?
Intervallo di massa gia’ escluso:
Tevatron
158 175
LEP
0
100
200
114
300
400
500
600
700
800
900
1000
Massa
Higgs (diMiliardi
di eV) 2 )
Massa
deldibosone
Higgs (GeV/c
LHC è progettato per cercare il bosone di Higgs a tutte le
masse > 100 GeV/c 2
Eventi “candidati Higgs” fotografati a LHC
γ1= 86 GeV
γ2=56 GeV
H0 → γγ (?)
H0 → 4µ (?)
Queste fotografie sono di eventi “candidati Higgs”, però
potrebbero essere anche eventi standard che ci assomigliano.
Quando ne avremo raccolti un gran numero
riconosceremo se tra loro ci sono i veri Higgs
perchè questi hanno tutti la stessa massa.
Nel 2012 LHC ha funzionato molto bene
CMS Integrated Luminosity Per Day, pp, 2012,
(∝ collisioni pp al giorno)
2011
CMS Recorded, max: 279.9 pb¡1 /day
300
250
Delivered Luminosity [fb-1]
350
300
250
2012
200
200
150
150
100
100
50
50
1
ay
M
1
n
Ju
1
l
Ju
1
g
Au
1
p
Se
t
1
Oc
v
1
No
1
c
De
0
Date (UTC)
35 ATLAS Online Luminosity
25
s = 8 TeV
LHC Delivered, max: 285.8 pb¡1 /day
0
30
p
Data included from 2012-04-04 22:37 to 2012-12-16 20:49 UTC
350
Integrated Luminosity (pb¡1 /day)
Luminosità integrata
giornaliera CMS
← Luminosità integrata totale ATLAS
2010 pp s = 7 TeV
2011 pp s = 7 TeV
2012 pp s = 8 TeV
DICEMBRE
23
aggiornata a DICEMBRE 2012
20
GIUGNO
15
10
7
5
5
0
Jan
Apr
Jul
Oct
Month in Year
– 2012 (7 fb
– 2011 (5 fb
−1
a giugno; 23 fb−1 totale)
−1
totale)
Come abbiamo visto il bosone di Higgs?
Risultati dell’estate 2012
+ aggiornamenti marzo 2013
Come abbiamo visto il bosone di Higgs? Eventi a 4 leptoni
Event display of a clean Higgs candidate
Come abbiamo visto il bosone di Higgs? Eventi a 4 leptoni
e
µ
e
µ
Eventi a 4 leptoni: picco in massa e analisi angolare
primi segnali (luglio 2012)
s = 7 TeV, L = 5.05 fb-1 ; s = 8 TeV, L = 5.26 fb -1
Events / 3 GeV
CMS Preliminary
12
Data
10
Z+X
7 TeV 4e, 4µ, 2e2 µ
8 TeV 4e, 4µ, 2e2 µ
Z *,ZZ
4
⇒
2
MELA > 0.5
8
mH=126 GeV
6
0
m4l [GeV]
80
100
120
140
160
180
m4l [GeV]
Eventi a 4 leptoni: picco in massa e analisi angolare
KD
CMS, aggiornamento marzo 2013
1
0.9
0.8
CMS preliminary
-1
s = 7 TeV, L = 5.1 fb
-1
s = 8 TeV, L = 19.6 fb
4e
4µ
2e2µ
1
0.8
0.7
0.6
0.6
0.5
0.4
0.4
0.3
0.2
0.2
0.1
0
100 110 120 130 140 150 160 170 180
m4l (GeV)
Event display of Higgs → 2 photons candidate
Come abbiamo visto il bosone di Higgs? Eventi a 2 fotoni
γ
γ
Eventi a 2 fotoni: massa invariante
(Atlas, aggiornamento marzo 2013)
Eventi a 2 fotoni: analisi statistica
(aggiorn. marzo 2013)
A che punto siamo
I
Gli esperimenti ATLAS e CMS hanno scoperto
una nuova particella con massa M = 125 GeV/c 2
(risultati luglio 2012)
I
aggiornamento marzo 2013 alla conferenza Moriond-EW,
La Thuile, 06-03-2013 ( http://moriond.in2p3.fr/ )
I
Le caratteristiche finora misurate coincidono con
quelle del bosone di Higgs previsto dal Modello Standard.
Questa scoperta è solo un primo passo:
il grosso del lavoro comincia adesso!
I
analizzare tutte le “fotografie” raccolte
I
misure accurate delle caratteristiche di questa particella
I
misura dell’interazione con le altre particelle
I
confronto con le previsioni del Modello Standard
I
ricerca di altre nuove particelle (non previste dal M.S.)
Futuro prossimo e remoto
I
LHC ha proseguito la raccolta dati fino a febbraio 2013
(collisioni protone-protone fino a dicembre 2012),
per raddoppiare le fotografie di eventi “candidati Higgs”
I
Adesso starà fermo un anno e mezzo per una grossa
manutenzione, per raddoppiare l’energia delle collisioni
I
Questa macchina più potente raccoglierà dati per i prossimi
15-20 anni, scattando centinaia di volte più fotografie :
una enorme quantità di dati da analizzare per capire di più
su come siamo fatti e sui primissimi istanti dell’Universo