Esperimenti futuri ad LHC - L. Pontecorvo INFN Roma
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Esperimenti futuri ad LHC
L. Pontecorvo INFN Roma
Introduzione
© Alla fine del 1800 molti fisici pensavano che oramai la
fisica fosse quasi completamente determinata:
©J.C. Maxwell “C’e’ l’opinione diffusa che entro pochi
anni tutte le costanti fondamentali della fisica saranno
stimate approssimativamente, e che l’unica
occupazione degli scienziati sara’ quella di continuare
queste misure con sempre maggior precisione….”
©C’erano “solo” due grandi problemi che non avevano
ancora avuto risposta:
©Cosa e’ l’etere
©La comprensione dello spettro di corpo nero
Teoria della Relativita’
Meccanica Quantistica
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La fisica delle particelle nel 2000
© Alla fine degli anni ‘90 gli
esperimenti a LEP hanno
effettuato delle bellissime
misure che riproducono con
accuratezza mai raggiunta
precedentemente (10-3-10-4)
tutte le previsioni del modello
teorico delle interazioni
fondamentali (Modello
Standard)
© Quindi anche in questo caso
potremmo ritenere di aver
capito tutto …
Ma……..
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Alcune domande fondamentali
© Abbiamo delle domande fondamentali nella fisica delle particelle a cui
ancora non sappiamo dare risposta, tra cui:
©Quale e’ l’origine della massa di tutte le particelle? Ricerca del
bosone di Higgs
©Esistono nuove simmetrie nel campo delle particelle elementari
(Supersimmetria)?
©Leptoni e Quark sono veramente particelle puntiformi o hanno
una loro struttura interna?
©Perche’ esistono tre famiglie di leptoni e tre famiglie di quark ?
©Come era fatta la materia i primi istanti dopo il big-bang?
©Perche’ l’universo conosciuto e’ prevalentemente costituito da
materia e non da antimateria?
©Esistono fenomeni nuovi non previsti da alcuna teoria?
Gli esperimenti ad LHC sono progettati per cercare
di rispondere a queste domande fondamentali
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Cosa e’ il Large Hadron Collider
©Collisore Protone-Protone/Ione-Ione
Le collisioni avvengono d
u
d
u
u
tra i costituenti dei Protoni
u
quindi tra quark e gluoni. Eproton1 = Ed1 + Eu1 + Eu2 + Egluons1
L’energia nel centro di massa √S Eproton2 = Ed2 + Eu3 + Eu4 + Egluons2
non e’ quindi definita per ogni 0 < Ecollision < (Eproton1 + Eproton2)
interazione ma dipende dall’energia dei costituenti
che prendono parte all’interazione stessa.
Questo fa si che un collisore adronico sia la macchina ideale
per cercare particelle di massa ignota.
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Caratteristiche principali di LHC
Energia dei fasci 7 TeV (x7 Tevatron)
Luminosita’ 1034cm-2s-1 (x10 Tevatron)
Bunch crossing spacing 25 ns = 7 m
Collisioni/incrocio ∼20
Particelle/collisione ∼100
7 TeV ProtonProton
colliding beams
2808 Pacchetti da 1011 protoni
Ogni collisione tra due particelle dei fasci e’
chiamata Evento
Solo in una frazione estremamente piccola di
collisioni possono essere prodotti eventi
-
interessanti: Higgs, nuove particelle etc.
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Caratteristiche principali di LHC
27 km circonferenza @ 100
mt sotto terra.
Numero dipoli
superconduttori :1232
CERN 2nd site
Campo magnetico di ogni
dipolo : 8.4 T
SPS accelerator
CERN main site
Geneva Airport LHC accelerator
Energia accumulata 366 MJ
Costo totale >4000 MCHF
Inizio presa dati: 2007.
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Perche’ alta Luminosita’?
Processo Eventi/s Eventi/an Statistica
© Ricerca di processi rari no totale con
con bassissima altre
probabilita’ di essere
prodotti. macchine
© Misure di precisione su W→ eν 150 109 104 LEP - 107
processi conosciuti Tevatron
© Altro modo di Z→ ee 15 108 107 LEP
provare l’esistenza di
processi fisici ancora 8 108 104 Tevatron
tt
ignoti.
106 1013 108
© LHC sara’ una “Factory” bb Belle/Babar
di W, Z, Top, Beauty …
0.01 105
© Processi di fisica che
hanno portato al premio g~g~ (m=1TeV)
Nobel (e.g. pp->Z->ll)
saranno utilizzati per H (m=130GeV) 0.2 106
calibrare i rivelatori e
costituiranno i principali QCD Jets 103 1010 107 Tevatron
fondi. Pt>200 GeV
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Perche’ alta energia?
Sezione d’urto Protone-Protone vs √S
La probabilita’
Quindi di avere
aumentando un
l’energia
Cosa
eventosignifica
e’ si
dei fasci molto 10 11 ?
elevata
migliora il ma
E’ comedipendente
poco cercare
rapporto tra un ago in unmassima
dalla
eventi pagliaio?
energia
Volume disponibile
interessanti
Pagliaio 50ed nel centro
m3 eventi di di
massa
FONDO.
Volume √S.
ago 5 mm3
1011 ……..No!
InLHC
Ad 10 Pagliai
avremo circa 1 evento di
Higgs ognila100
Invece probabilita’ di eventi.
miliardi di
produrre eventi interessanti
(e.g. Higgs) e’ estremamente
bassa ma aumenta molto
velocemente con la √S.
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Caratteristiche interazioni PP
© Come possiamo selezionare gli eventi interessanti da
quelli di fondo durante la presa dati??
©Selezionare
La maggior parteeventi
deglicon:
eventi saranno prodotti da interazioni
•Elevato
“distanti”: impulso
i protoni trasverso
si “sfiorano” e i Pt
prodotti della reazione saranno
adroni
•Presenza di uno o piu’ leptoni =500
a basso impulso trasverso. MeVP (e,µ,τ)
ad alto t
•Presenza di uno o piu’ fotoni ad alto Pt Pt= Psinθ
θ
•Jet(s) adronici ad alto Pt
•Elevata Energia
© Occasionalmente si hannoTrasversa Mancante
delle interazioni (Neutrini
ravvicinate tra i e LSP)
•La decisione
costituenti se prendere
del protone (Quark,o Gluoni):
rigettare un evento dovra’
essere presa
© elevato in milionesimi
impulso trasferito di secondo (al primo livello di
trigger)
© Produzione di particelle di massa elevata M e/o particelle emesse
•I rivelatori
a grande angolodi particelle
rispetto dovranno
alla linea essere
dei fasci.
©estremamente
Possibilita’ di avere veloci
leptoni (e,µ,τ,ν) e fotoni di elevato impulso
trasverso dovuti al decadimento
•Si utilizza la diversa interazione di M. delle particelle con la
materia per determinare la natura delle particelle
stesse.
ŝ
x1p x2
p
L. Pontecorvo INFN Roma 10Interazioni particelle-rivelatore
Sezione Trasversale del rivelatore CMS
L. Pontecorvo INFN Roma 11I 4 esperimenti ad LHC
© 2 Esperimenti General Purpose:
© ATLAS e CMS
© Ottimizzazione delle performances per
ricerche di fisica specifiche:
© Ricerca del Bosone di Higgs
© Ricerca di particelle
Supersimmetriche
© Ricerca di nuove famiglie di quark
e leptoni e nuovi bosoni.
© Possibilita’ di rivelare segnali inattesi
© Misure di alta precisione su tutto
lo spettro di energia esplorabile ad
LHC.
© 2 Esperimenti dedicati:
© LHCB
© Misura dei parametri della violazione di
CP nel sistema del B
© ALICE
© Studio delle interazioni Ione-Ione ad
altissima energia e ricerca del Quark-
Gluon Plasma.
L. Pontecorvo INFN Roma 12Come sono fatti i rivelatori General Purpose
Spettrometro per Muoni: Misura
Es. Il rivelatore Atlas
dell’impulso e del segno dei muoni.
Calorimetri: Misura Energia e
ATLAS Toroide in Aria separazione Adroni-elettroni/γ
CMS Ferro Magnetizzato (LAR in ATLAS , Cristalli in CMS)
22 m
Dimensioni
Sistemi di magneti
Tracciatore interno Superconduttori
Campo Magnetico+rivelatori
44 m
di posizione adL. alta Risoluzione al silicio.
Pontecorvo INFN Roma 13Risoluzione e Granularita’
Le parole chiave per i rivelatori ad LHC sono:
Risoluzione H → γγ bassa
Granularita. risoluzione H → γγ
alta risoluzione
Fondo da
pp → γγ
Migliaia di particelle prodotte ad ogni
mγγ
incrocio dei fasci Una alta risoluzione
Buona efficienza di rivelazione permette di estrarre il
Bassa probabilita’ di avere due particelle segnale anche in
nello stesso volume sensibile presenza di fondi
Alta Granularita’ Centinaia di elevati.
milioni di canali di lettura
L. Pontecorvo INFN Roma 14Estrazione del Segnale
CMS Evento simulato H-> Z Z->4 µ Soluzione
Problema
Fi nd :4 s traight t rac ks. Selezionare solo le tracce con
Trovare le 4 tracce dei µ??? Pt>2 GeV trovate anche nello
spettrometro per muoni
L. Pontecorvo INFN Roma 15Decadimenti dell’Higgs
•Sezione d’urto di produzione di Higgs :
0.1-30 Pb
•Decadimenti favoriti in diverse regioni
di massa:
H->bb MHWW
Questi decadimenti sono molto difficili
da selezionare rispetto all’enorme
fondo di eventi adronici
Canali preferiti per la ricerca di
Higgs:
H->γγ MHZZ(*) (Z -> ee/µµ)
L. Pontecorvo INFN Roma 16Ricerca dell’Higgs: due esempi
© Higgs leggero Mγγ testano meta’ del calorimetro
© Fondo irriducibile dovuto a centrale a cristalli di CMS
PP->γγ e PP-> Jets (30000 cristalli) .
© Misura di precisione dell’energia Gruppo CMS Roma 1
dei 2 fotoni
© Calorimetro ad alta risoluzione, CMS:
Modulo
SegnalePWOH->γγ
finemente segmentato Cristallo
100calorimetro
fb -1 (1 anno ad alta
© CMS:calorimetro omogeneo a luminosita’)
CMS
cristalli
© ATLAS: calorimetro a sampling S~5
a LAr
© Conoscenza dell’angolo di apertura
tra i due fotoni:
© CMS: misura del vertice di
interazione con tracciatore
interno
© ATLAS: misura della direzione
del γ con il calorimetro stesso
L. Pontecorvo INFN Roma 17La ricerca dell’Higgs (2)
© 130 4 leptoni (e,µ) alla costruzione delle camere di
© Misura di precisione dell’energia degli tracciamento MDT, delle camere
elettroni
di trigger RPC e dell’elettronica
© Misura di precisione dell’impulso dei µ
© ATLAS: spettrometro magnetico con
di trigger per lo spettrometro a
toroide in aria mu di ATLAS. (Gruppi Roma1,
© Ottima risoluzione della spettrometro Roma2 e Roma 3,LNF)
in stand-alone
© Rivelatori di tracciamento di
precisione MDT.
© CMS: Spettrometro magnetico in H → ZZ* → 4l
ferro
© Risoluzione limitata dalla diffusione ATLAS, 30 fb-1
Coulombiana
© Misure combinate con il tracciatore 4 mesi ad alta
interno per ottenere buona risoluzione. luminosita’
© Trigger di µ ad alto impulso trasverso
© ATLAS: Rivelatori veloci dedicati al
trigger RPC, TGC
© CMS: Combinazione di diverse
tecnologie per il trigger di mu
© RPC, DTBX.
L. Pontecorvo INFN Roma 18Riusciremo a vedere il segnale?
• LHC potra’ scoprire il
bosone di Higgs SM (se
esiste) per masse fino a 1
TeV con 10 fb-1
•ATLAS e CMS hanno
potenzialita’ comparabili:
controllo incrociato dei
risultati.
mH > 114.4 GeV
L. Pontecorvo INFN Roma 19La fisica di LHCB
© Studio della violazione di CP ed altri fenomeni rari nei decadimenti del Beauty
(Bd e Bs).
© Migliorare la misura di sin2β (dopo BaBar/Belle)
© Misura di ∆ms nell’oscillazione Bs-Bs
© Misura della fase di decadimenti b->s e b->d Possibili indizi
© Decadimenti rari del B (e.g. B->µ+µ-) di nuova fisica
© Misura di parametri della matrice di mixing CKM
© Canali piu’ interessanti:
©Bd->J/ψ Ks
©Bs->J/ψ Φ
Possibilita’ di nuova fisica
©Bs->D+sπ-
vs 14 TeV
L (cm-2 s-2) 2x1032 cm-2 s-1
σbb 500 µb
σinel / σbb 160 1012 B in un anno
L. Pontecorvo INFN Roma 20LHCB il rivelatore
Topologia evento
© Spettrometro Beauty Ideale
a piccolo angolo
rispetto ai fasci.
B Decay eg.: (12-300 mrad)π+,K+
© Identificazione del vertice K+
Bs di D s K−
-
primario e dei vertici
decadimenti delle Beauty. π−
© Tracciatori di alta © I gruppi romani (Roma
precisione al silicio 1, Roma 2, LNF) si
Nella realta’ si avra’ questo! occupano
© Identificazione delle particelle
(π,K) prevalentemente della
© 2 sistemi di RICH costruzione e messa in
© Tracciamento di precisione e opera del sistema di
misura dell’impulso in presenza filtro e rivelazione dei
di un elevatissimo numero di muoni, e
particelle dell’elettronica di
© Tracciatori al silicio e straw trigger
tubes
© Calorimetria elettromagnetica
e adronica
© Filtro e misura dei muoni
(Ferro+MWPC & GEM)
L. Pontecorvo INFN Roma 21Le interazioni Ione-Ione
© LHC sara’ utilizzato per far collidere fasci di
ioni di diverso numero atomico (fino a Pb-Pb)
© Energia nel centro di massa fino a 5.5*A
TeV (APb=82)
© Studio della materia ai primi istanti dal Big
Bang
© Deconfinamento dei Quark e produzione
di Quark-Gluon Plasma
© Osservabili Sperimentali:
© Caratteristiche Globali dell’interazione
tra nucleoni: numero di particelle
prodotte, distribuzioni in rapidita etc.
© QGP: produzione di particelle Charmate,
produzione di fotoni diretti, adroni ad
alto Pt e soppressione di stati CC e BB Luminosita’: 1027 cm-2s-1
(J/Ψ, Y) dN/Dηch= 2-8*103
© Transizione di fase della materia:
Produzione di particelle strane,
fluttuazioni di molteplicita’ di particelle
cariche.
L. Pontecorvo INFN Roma 22Alice
Ø Grande accettanza
Ø Buon tracciamento
ØTre tecnologie di
rivelatori al silicio
ØPixel
ØSilicon drift
ØStrip (DS)
ØTPC (tracciamento
e ∆E/∆x)
Ø Ampio range di misura
in impulso
Ø Identificazione di
adroni e leptoni
ØTOF, ∆E/∆x,TRD I fisici Romani del gruppo Alice (Roma 1)
Ø Ricostruzioni di Sono impegnati nello sviluppo e test dei
vertici secondari (B, C) rivelatori per il tracciamento interno
Ø Rivelazione di fotoni a drift in silicio. Vediamo qui una foto della
camera pulita dove vengono controllati i Wafer
con i rivelatori.
L. Pontecorvo INFN Roma 23Esperimenti o Industrie
2000 fisici per esperimento
Decine di anni di preparazione
E’ ancora interessante fare fisica cosi’?
La mia opinione personale e’ che lo
sia…
C’e’ sempre modo di apportare un
contributo originale e personale
anche in queste Mega-Collaborazioni,
tutto sta nel volerlo fare.......
Special thanks to the ATLAS and CMS outreach groups:
A lot of useful material
L. Pontecorvo hasRoma
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