E - Agenda INFN

Grandi esperimenti in Fisica di Particelle:
I telescopi del microcosmo
e
la nuova particella: Higgs SM ?
Kostas KORDAS
Aristotle University of Thessaloniki
(Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης)
& CAEN 15/05 – 14/07 2013
Aristotle University
of Thessaloniki
FTK-IAPP project ( Grant Agreement n.324318, Workshop , U. Pisa, 12-Jul-2013
Parliamo di
●
●
Perche e comme oserviamo il microcosmo
–
Gli esperimenti come una dei nostri sensazioni (sapore,
visione, etc...)
–
Il bisognio dei acceleratori ed I esperimenti/rivelatori
Che cosa impariamo con i esperimenti ai acceleratori?
–
●
La struttura della materia e l' universo
Grandi esperimenti ai acceleratori
–
U. Pisa 12/7/2013,
Componenti (essempio dal LHC)
K. Kordas - Grandi esperimenti e la nuova particella Higgs
2
A. Peche, come? Bisognio di
acceleratori
U. Pisa 12/7/2013,
K. Kordas - Grandi esperimenti e la nuova particella Higgs
3
Perce? La curiosita
●
Domandiamo, ma da che cosa e fatto il mondo;
;
έσα
μ
εδώ
ι
α
ίν
Τι ε
Democrito (460–371 B.C):
La meteria e fatta da componenti
fndamentali (chiamanti ά-τομα)
dentro lo spazio vuoto
→ Pero, c' erano anche altre
idee
Αριστοτέλης (384–322 B.C):
Lo spazio e pieno de una
continuita di matteria
●
Comme passare da ipotesi a teorie scientifice?
–
“Con i esperimenti” - Galileo Galilei, 1564 – 1642 A.D
U. Pisa 12/7/2013,
K. Kordas - Grandi esperimenti e la nuova particella Higgs
4
Comme; Espirimentidi di “scattering”
●
Ο Ernest Rutherford, Hans Geiger και Ernest Marsden,
particell alpha (nucleo di He) sul folglio di oro (1906)
Ernest Rutherford
(1871-1937)
Χρυσόχαρτο
Σωματίδια άλφα
Ανιχνευτής
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Μόλυβδος
Sapevamo gia che I atomi
Hanno electroni,
Chi sono le prime
Ραδιενεργός
πηγή
Particelle elementatie
scoperte
(dal J.J. Thomson).
Atomi neutri:
Allora, come e messo
Il carico positivo e negativo
dentro I atomi;
K. Kordas - Grandi esperimenti e la nuova particella Higgs
5
Πώς; Πειράματα σκέδασης
●
Ο Ernest Rutherford, Hans Geiger και Ernest Marsden,
κάνουν πειράματα σκέδασης σωματιδίων άλφα πάνω σε
χρυσόχαρτο (1906)
Ernest Rutherford
(1871-1937)
Χρυσόχαρτο
Με
άτ γεν
ομ θ υ
μ
α
χρ ένα
υσ
ού
Ανιχνευτής
U. Pisa 12/7/2013,
Σω
μ
ατ
ίδ
ι
Ραδιενεργός
πηγή
α
I atomi hanno il
carico positivo
Concentrato in
un nucleo piccolo
άλ
φα
Μόλυβδος
Cosi si spiega
Il scattering delle
alpfa ai angoli grandi
K. Kordas - Grandi esperimenti e la nuova particella Higgs
6
Scattering: Una esperienza giornaliera
●
Vision!
Source of light
Target
(carico?)
Rivelatore
Unita di calcolo
- computer
●
Per vedere la mella, bisognio di analisare I dati misurati
dal nostro rivelatore
–
Riconstruiamo il carico-melle, analisanto le caratteristiche
dei fotoni chi sono “scattered” (i “dati” di nostro
esperimento)
U. Pisa 12/7/2013,
K. Kordas - Grandi esperimenti e la nuova particella Higgs
7
But, we do not see the atoms. Perche;
●
Perche la “lungeza d' onda” (λ) della luce visibile e molto piu
grande degli dimensioni del atomo
–
ca. 5000 volte piu grande
●
λ(light) ~ 500 nm , R(atomo) ~ 1 Å = 10-1 0 m = 0.1 nm
λ=1m
Grande lungeza d' onda
Piccola capacita di risoluzione
(difficile di distinguere ojetti piccoli)
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Μήκος κύματος - διακριτική ικανότητα
Grande lungezza d; onda
Resoluzione non-sufficente
 Lungezza d' onda ~ diametro della palla di basket
C' e qualcosa dentro la grotta
Che cosa portebe essere;
Doppo un puo...
U. Pisa 12/7/2013,
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Μήκος κύματος - διακριτική ικανότητα
Μικρό μήκος κύματος
καλή (υψηλή) διακριτική ικανότητα
 Μήκος κύμματος ~ διάμετρος της καραμέλας
Κάτι κρύβεται μέσα σε μια
σκοτεινή σπηλιά. Τι να είναι;
Μετά από λίγο...
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K. Kordas - Grandi esperimenti e la nuova particella Higgs
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Anche le particelle... lungueza d' onda;
●
Fisica quantistica – le particelle si comportano comme
onde
–
Grande impulso (= massa x velocita) della particella
●
piccola lungueza d' onda (λ)
λ = h/p
Louis de Broglie (1924)
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Σωματίδια με... μήκος κύμματος;
●
Κβαντική Φυσική – τα σωματίδια συμπεριφέρονται και
ως κύμματα
–
Όσο μεγαλύτερη είναι η ορμή (= ταχύτητα x μάζα)
ενός σωματιδίου
●
τόσο μικρότερο μήκος κύματος (λ) έχει
e.g
.
ele
λ~
c
ac tro
80
ce
n
0n
pil
ler Zürice
h,
m
a d at 29 Octo
i 1 to dber 200
8
.5
a
Vo un 12
a
lt
U. Pisa 12/7/2013,
Louis de Broglie (1924)
Come prendiamo
velocita
Sulla dicezza
K. Kordas - Grandi esperimenti e la nuova particella Higgs
12
Σωματίδια με... μήκος κύμματος;
λ = h/p
Louis de Broglie (1924)
ρίες
α
τ
α
π
μ ~ 400 nm
λ
0
0
0
,
0
1
ά;
ρ
ι
ε
σ
στη
a ή ς!
n
τ
u
ν
a
d
υ
χ
o
d
α
n
τ
a
:
ι
e
ssπ
l
i
p
PaΕ
i
ad
i
r
e
t
t
ba
e!
Ac
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r
o
t
a
r
cele
K. Kordas - Grandi esperimenti e la nuova particella Higgs
13
Σωματίδια με... μήκος κύμματος;
●
Κβαντική Φυσική – τα σωματίδια συμπεριφέρονται και
ως κύμματα
–
Όσο μεγαλύτερη είναι η ορμή (= ταχύτητα x μάζα)
ενός σωματιδίου
●
τόσο μικρότερο μήκος κύματος (λ) έχει
…
10,000
U. Pisa 12/7/2013,
ρίες
α
τ
α
π
μ ~ 0.08 nm
λ
0
0
0
,
0
1
άα; ρίες
ρ
ι
ε
σ
η μπατ
στ
!
ς
00
0
ή
,
ε
0
τ
χ
ί
1
ε
ν
υ
Με
θα
χ
,
ά
α
ρ
ι
τ
ε
ι
ησ
λ,
Ε
ό
στπ
ρ
κ
ι
άμ
τ
ε
κ
ει
ρ
ν
ί
α
ρ
κ
α
δι
α
ν
ε
τ
ώσ
ο!
μ
ο
τ
ά
ένα
K. Kordas - Grandi esperimenti e la nuova particella Higgs
14
I accelleratori come microscope
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15
Dopo ~100 anni di esperimenti scattering
1m
1/1,000,000,000
molecule
elecroni
neutroni
protoni
nucleo
H20
atomi
1/10
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quarks
1/10,000
1/10
1/10,000
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Dopo ~100 anni di esperimenti scattering
1 m (μέτρο)
1/1,000,000,000
μόρια
electroni
πυρήνας
H20
νετρόνια
πρωτόνια
άτομα
quark
Electroni e quark: non vediamo struttura - elementari
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K. Kordas - Grandi esperimenti e la nuova particella Higgs
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Dopo ~100 anni di esperimenti scattering
1 m (μέτρο)
1/1,000,000,000
μόρια
electroni
πυρήνας
H20
νετρόνια
πρωτόνια
άτομα
quark
Electroni e quark: non vediamo struttura - elementari
U. Pisa 12/7/2013,
K. Kordas - Grandi esperimenti e la nuova particella Higgs
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Dopo ~100 anni di esperimenti scattering
1 m (μέτρο)
1/1,000,000,000
μόρια
electroni
πυρήνας
H20
●
νετρόνια
protoni
άτομα
Ηλεκτρόνια
κουάρκ
+ 5 παρόμοια σωματίδια (4 απ' αυτά ασταθή: μ, τ, ν μ, ντ)
●
Πρωτόνια, νετρόνια
+ ~200 παρόμοια αλλά ασταθή σωματίδια, φτιαγμένα από κουάρκ
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Dopo ~100 anni di esperimenti scattering
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K. Kordas - Grandi esperimenti e la nuova particella Higgs
20
Ci sono anche le forse tra le particelle
●
Τα σωματίδια αισθάνονται το ένα το άλλο –
αλληλεπιδρούν με διάφορες δυνάμεις
–
ανταλλάσοντας ειδικά σωματίδια που είναι οι φορείς
της δύναμης
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Υπάρχουν και δυνάμεις
●
Τα σωματίδια αισθάνονται το ένα το άλλο –
αλληλεπιδρούν με διάφορες δυνάμεις
–
ανταλλάσοντας ειδικά σωματίδια που είναι οι φορείς
της δύναμης
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22
Ci sono anche le forze
●
Le particelle sentono un l' altro – interagiscono con
varie forze
–
scambianto particelle specialli chi portano la forza
e-
(electrone)
e-
γ (gamma)
e-
(electrone)
etempo
Il fotone (γ, gamma) porta la forza electromagnetica
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Ci sono anche le forze
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Force carriers
leptons
quarks
Dopo ~100 anni di esperimenti scattering
I elementi della matteria
3 generations of matter particles
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In pratica le collisioni sono ...
●
Scattering experiments – colliding particles
d
o
r
P
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g
n
i
uc
p
”
w
e
“n
s
e
l
ic
t
r
a
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26
Producing new particles
●
Scattering experiments – colliding particles
La massa ed una
forma di energia
E = mc2
energia
mass
c = velocita della luce
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27
Producing new particles
●
Scattering experiments – colliding particles
E=100
E=100
200
La massa ed una
forma di energia
E = mc2
energia
mass
c = velocita della luce
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K. Kordas - Grandi esperimenti e la nuova particella Higgs
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Accleratori – un grande strumento di ricerca
μικροσκόπια
●
High energy permits:
–
To look deepr inside matter
●
λ = h/p
–
–
De Broglie (1924)
To discover hevier particles
●
τηλεσκόπια
High Energy → small wave length
Mass is a form of energy
E = mc2
To study the conditions of the early universe
●
Einstein (1905)
Lots of energy in little space
→ High temperature
Studiamo fenomeni e particelle
E=kT
Boltzman (~1900)
Chi non sono piu visibili in nostro universo
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K. Kordas - Grandi esperimenti e la nuova particella Higgs
29
Un viaggio al infanzia dell universo
Grande Acceleratore di Adroni (LHC) a CERN: 14 TeV ~ 10-14 sec
( Note: 1 TeV = 1000 GeV = energia della mass di 1000 protoni )
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K. Kordas - Grandi esperimenti e la nuova particella Higgs
30
Accelerators to study the universe
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31
L' infinitessimo incotra l' infinito!
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32
Alcune dell domande chi aspetano risposta
Prof. Higgs ha proposto
Un modo
• Abiamo una teoria chi fonziona molto benne, ma...
• Comme le particelle hanno massa? - abiamo particell elementarie
(allora sensa struttura) con masse molto diverse
• Di che cosa e fatto il 96% del universo?
• La gravita non e parte della stessa teoria di particelle
• Possimao descrivere “tutto” con un teoria solamnte?
• Ci sono anche altre forse?
• Viviamo in piu di 3+1 dimensioni?
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33
Cerciamo le risposte
producendo e misurando paricelle
(“il metodo”)
1) Accelerate and 2) Collide some particles
3) Detect and measure the particles produced
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Bisognio di acceleratori –
il Large Hadron Collider, LHC al CERN
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Il tunnel dell' acceleratore: 100 metra sotto
Alpe
Ginevra
~300 * 1012 πρωτόνια (~3000 pacchetti di 100 billiardi protoni)
● A una velocita 99.9999991% della luce
● Girano ~11 000 volte al secondo intorno dell accelatore di 27km di
circomferenza
● L' energia della collisione tra protoni e 14 000 GeV = 14 TeV
●
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36
Large Hadron Collider at CERN
Pista velocissima, uno dei posti piu vuote e frede del
Methodology
universo
(1.9 Κ = -271.1 C)
→ vuoto e temerature dentro il tubo del accelratore piu
piccole dello spazio interstellare!
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37
Per imparare qualcosa delle collisioni che fa
l' accelratore , abbiamo bisognio anche di
rivelatori (detectors)
Scopo:
• - Identificare le particelle prodotti,
• - e misurare loro energia e impulso
•
Comme?
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38
Detecting particles
La detezione e basata sul interazione
delle particelle prodotti con la matteria
che traversano in loro viaggio doppo
↑
Imagini fotografiche:
i primi rivelatori di
particelle
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39
Detection of particles –
Ogni tipo (e- , γ, κλπ) ha un interazzione particollare con
I diversi componenti del rivelatore
The posiiton
of the various
sub-detector types
in un esperimento
of colliding beams
of particles
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40
Misuriamo SOLAMENTE I prodotti finalli
We measure electrons
p
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p
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41
Studio indiretto
Misurando i prodotti finali (per esempio di decadimento)
che interagiscono con i rivelatori, si deducono le proprieta`
dei genitori
Rivelatore
Particelle non specifiche:
le medesime particelle possono
derivare da quelle sotto studio
o da altre non interessanti
p
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enp k π
e µ
p
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42
Μisuriamo le particelle finalli per “conossere” i
genotori chi non esistono piu!
Energia ed Impulso del genitore =
Energia ed inmpulso dei figli/prodotti
E2 =m2 c 4 + p 2 c 2
m= √ ( E 2− p2 )
Counts
(= no. di misure)
E = mc2
Mass del sistema dei
prodotti
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K. Kordas - Grandi esperimenti e la nuova particella Higgs
43
Μisuriamo le particelle finalli per “conossere” i
genotori chi non esistono piu!
Energia ed Impulso del genitore =
Energia ed inmpulso dei figli/prodotti
E2 =m2 c 4 + p 2 c 2
m=   E 2− p 2
Le particelle
combinatte sono
davero figli di un
genitore!
Counts
(= no. di misure)
E = mc2
Le particelle
combinatte
sono a caso!
Mass del sistema dei
prodotti
U. Pisa 12/7/2013,
K. Kordas - Grandi esperimenti e la nuova particella Higgs
44
Δεν παράγονται πάντα αυτά που μας ενδιαφέρουνNon
sono prodotti solamente le cose interresanti per noi,
e quando si, sono prodotti con compagnia!
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45
Bisognio dei grandi e precizissimi rivelatori
43 m
22 m
7000 T
(fero in tour
Eiffel)
T. Virdee, ICHEP08
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46
46
L' esperimento ATLAS in LHC
p
LHC tunnel
p
ATLAS
U. Pisa 12/7/2013,
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47
ATLAS
22m, 7000 tons
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48
ATLAS at CERN – Aristotle U. Thessaloniki
Le camere Grece per I
mioni sono construitti al
Universita di Thessalooniki
e messi in ATLAS
(collaborazione con
National Technical
University of Athens, and
University of Athens)
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49
ATLAS at CERN - Αριστοτέλειο
1997 ΑΠΘ : laboratorio per construire e controllare le camere di
mioni
Condizioni controllate
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50
CMS
15m, 12000 tons
(λίγο περισσότερο από το συνολικό
βάρος του πύργου του Eiffel)
U. Pisa 12/7/2013,
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51
CMS
Non
solamente “fero”
Ma anche
electronici e cavi
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52
Non solamene largezza/braze, ma anche
“intelligenza” a LHC abiamo bisognio di rivelatori chi..
7x1012 eV
1034 cm-2 s-1
2835
1011
Beam Energy
Luminosity
Bunches/Beam
Protons/Bunch
7.5 µ (25 νσ)
Bunch Crossing
Proton Collisions
7 TeV Proton Proton
colliding beams
4 107 Hz
109 Hz
e-
ﾵ
Parton Collisions
New Particle Production
(Higgs, SUSY, ....)
10-5 Hz
p
ﾵ+
θ
+
Z
H
p
Z
ﾵ-
∼
θ
ﾵ∼
γ
p
∼
θ
θ
∼
χ2 0
νε
χ1 −
θ
p
µ+
µ−
∼χ 0
1
οφ 1 εϖεντ
10,000,000,000,000
* Controllano ~Σελεχτιον
1 billiardo
di ιν
collisioni
di protoni per secondo,
* Scelgono le piu interessante 100-200 per secondo
* e le registrano με con la resoluzione di una camera
fotografica di 100 Mega pixels.
U. Pisa 12/7/2013,
K. Kordas - Grandi esperimenti e la nuova particella Higgs
53
Abiamo bisognio di potenza di calcolo
ca. 3000 PCs per scegliere le piu interessanti
200 eventi per secondo
→ Ma non solamente dei PCs:
sentite Mauro e Calliope-Louisa doppo
U. Pisa 12/7/2013,
K. Kordas - Grandi esperimenti e la nuova particella Higgs
54
Potenza di calcolo – rette mondiale (Grid)
20 km
15 km
* Μετά το world-wide web (WWW) που ανακαλύφθηκε στο CERN,
το GRID είναι ένα ακόμα βήμα προς ένα αποκεντρωμένο
υπολογιστικό μοντέλο
* Neccessario per analysare e registrare I dati raccolti
* E.g., ATLAS registra un CD di informazione
(700 MB) per ~ 1-2 secondi
U. Pisa 12/7/2013,
K. Kordas - Grandi esperimenti e la nuova particella Higgs
55
E piu di tutto abiamo bisognio di persone
Per construire tutto
questo,
per raccogliere I dati,
per analisarle e capire
che sta dicendo la
natura.
U. Pisa 12/7/2013,
K. Kordas - Grandi esperimenti e la nuova particella Higgs
56
Al CERN si incrontrano tante nazioni
Si reuniscono in questo sforzo
per rispondere alle domande fondamentali
U. Pisa 12/7/2013,
K. Kordas - Grandi esperimenti e la nuova particella Higgs
57
Cercando per la particella di Higgs
●
●
●
Comme il fotone porta il campo electromagnetico, cosi la
particella Higgs porta il campo Higgs.
Le diverse particelle hanno diverse masse, perche
interaggiscono piu o meno forte con il campo Higgs.
Comme “vediamo”
lo Higgs;
→ Dai filgi
e.g., qui 4 mioni chi
atraversano ATLAS
(linee rose)
E = mc2
U. Pisa 12/7/2013,
2
2
4
2 2
E =m c + p c
m=   E − p 
2
2
K. Kordas - Grandi esperimenti e la nuova particella Higgs
58
Cercando per il Higgs
●
Nostra teoria (il “Modello Standard”) non dice
essatamente qualle e la massa di Higgs, ma da la
probabilita di produzione in foncione della la mass di
Higgs.
Numero di eventi
a qui
d
r
a
u
g
e
r
ip
er scopr
p
:
O
I
P
M
E
ESS
Massa del sistema di 4 mioni
U. Pisa 12/7/2013,
K. Kordas - Grandi esperimenti e la nuova particella Higgs
59
Cercando per la particella di Higgs
●
Nostra teoria (il “Modello Standard”) non dice
essatamente qualle e la massa di Higgs, ma da la
probabilita di produzione in foncione della la mass di
Higgs.
Al auturno di 2011:
Stiamo 95% siguri
Che il Higgs non pessa
piu di ~132 GeV
E, c'e una concetrazione
di eventi consistenti con
L' ipotessi di Higgs
Con massa ~ 125 GeV
U. Pisa 12/7/2013,
K. Kordas - Grandi esperimenti e la nuova particella Higgs
60
Cercando per la particella di Higgs
●
Nostra teoria (il “Modello Standard”) non dice
essatamente qualle e la massa di Higgs, ma da la
probabilita di produzione in foncione della la mass di
Higgs.
Al auturno di 2011:
Stiamo 95% siguri
Che il Higgs non pessa
piu di ~132 GeV
E, c'e una concetrazione
di eventi consistenti con
L' ipotessi di Higgs
Con massa ~ 125 GeV
Adesso 2013,
doppo 2 anni
Di racoglierre dati
Sapiamo che questo
Non era un gioco
del fondo, ma
Il Higgs e qui!
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Cercando per la particella di Higgs
●
Ckick here: vediamo gli eventi accumulare con il tempo:
●
https://twiki.cern.ch/twiki/pub/AtlasPublic/HiggsPublicResults//4l-FixedScale-NoMuProf2.gif
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Abiammo discusso
●
Comme oserviamo il microcosmo
–
Epserimenti di scattering per complementare nostri sensi
●
–
La neccessita degli accelaeratori e rivelatori corrispondenti
●
●
I componenti e le forse della matteria e l' universo in
laboratorio – microscopi e telescopi
Il grande collider (LHC) al CERN e gli esperimenti
–
●
Il piveu impulso in collisione, il miglioere risoluzione della
struttura.
Impariano dai questi esperimenti
–
●
Analogia con la visione
Componenti basice
Cercando risposte alle nostre domande – verso nuove
scoperte. e..g, il Higgs
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E
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E vero che per fare queste ricerca spingiamo la
tecnologia e cosi queste tecnologie nuove entrano in
nostra vita per milgiorarla – e..g, applicazione medice
Silicon detector for a
Compton camera in
nuclear medical imaging
Radio-isotope
production for
medical applications
Thin films by
sputtering or
evaporation
Medipix: Medical X-ray diagnosis
with contrast enhancement and
dose reduction
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Radiography of a
bat, recorded with
a GEM detector
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Pero, noi fatsiamo tutto questo, per...
●
●
...Capire questo “mondo piccolo, ma grande” dvode
viviamo
L' oservazione del mondo con diversi strumenti cambia
il modo di pensare. Ricordate
–
La caduta del modelo geocentrico del universo?
–
La relativita del tempo?
–
La sostituzione della certeza con la probabilita?
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Grazie!
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