Verifiche sperimentali del modello standard delle particelle elementari

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Verifiche sperimentali del modello standard
delle particelle elementari
1) Gli acceleratori LEP, SLC e Tevatron.
Componenti di un collider, definizione e misure
di luminosità. 2) Sistemi complessi di
rivelazione. I rivelatori DELPHI, SLD e
CDF. 3) Misura delle proprietà del bosone
vettore Z. Line shape della Z. Misura
della massa e della larghezza della Z.
Decadimenti adronici e leptonici della Z.
Numero di famiglie di neutrini. 4) Misura delle
asimmetrie. 5) Fit globali elettrodeboli. 6)
Ricerca dell'Higgs a LEP 1. 7) Produzione dei
bosoni WW- e misura di MW a LEP 2. 8) Ricerca
dell'Higgs a LEP 2. 9) Ricerca dellHiggs e
nuova fisica a LHC
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Gli acceleratori LEP, SLC e Tevatron
ee- ? ee- ? ? , Z0 ? W W-
LargeElectronPositron collider1989-1995
Ebeam_max 55 GeV1996-2000 Ebeam_max 104.5
GeV
StanfordLinearCollider1989-1998 Ebeam_max 50
GeV
ee-L/R ? ee- ? ? , Z0
Tevatron collider1987-2009 Ebeam_max 0.98 TeV
Progetto Luogo Stima completamento Descrizione
LEP CERN 1988 5050 GeV ee-
SLC SLAC 1987 5050 GeV ee-
Tevatron Fermilab 1986 11 TeV
Tristan KEK 1986 3030 GeV ee-
Hera DESY 1990 30820 Gev e-p
UNK Serpukov 1990 600 GeV p
LEP II - LHC
77 TeV pp
PEP II
3.19 GeV ee-
KEK-b
3.58 GeV ee-
Chiuso 30-6-2007
Non realizzato
Tabella R.Fernow (1986)
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LEP
OPAL
ALEPH
DELPHI
L3
Acceleratori non in scala

• 26659 m di circonferenza
• Accelerazione, deviazione e focalizzazione nel
  collisore

4 esperimenti nei 4 punti di interazione
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SLC
SLC LEP (Z0)
Circumference 3 km 27 km
Beam Size IP 3x1 µm 400x16 µm
e-/bunch 4x1010 30x1010
Crossing Rate 120 Hz 45 kHz
Z/day/experiment 3,000 30,000
e- polarization 75 0

• 2 Miglia di Lunghezza
• Accelerazione lineare, deviazione e
  focalizzazione nel collisore
• Elettroni polarizzati al 75
• Piccola sezione del fascio nellIP

SLD
Rivelatore SLD
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Tevatron

• 6280 m di circonferenza
• Accelerazione, deviazione e focalizzazione nel
  collisore

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Accelerazione
Nellacceleratore di Wideroe (1928) si applica
una tensione alternata ad una sequenza di tubi di
drift.
le particelle non sentono campo accelerante
quando si muovono allinterno di ciascun tubo di
drift, la fase si inverte durante il tempo di
volo nei tubi e la particella subisce
progressive accelerazioni in corrispondenza dei
gaps
Si è poi passati allaccelerazione con campi a
radiofrequenza la struttura accelerante consiste
in una cavità risonante in cui viene accumulata
lenergia di campi elettromagnetici RF. Come nei
tubi a drift il campo elettrico deve essere
sincronizzato con il fascio.
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Focalizzazione
La focalizzazione si ottiene mediante sequenze di
celle FODO
F
D
F
O
O
L2
L1
Linee di campo
Linee di forza (carica positiva uscente)
cella FODO
Quadrupolo Defocalizzante (D)
Si ottiene ruotando il magnete di 90º
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Rappresentazione a matrice
Nello spazio 2-D trasverso alla linea del fascio
(z) la traiettoria può essere rappresentata da 2
vettori
(direzione)
I componenti che agiscono sul fascio possono
essere rappresentati in approssimazione lineare
da matrici 2x2
Percorso libero lunghezza L
Focalizzazione a distanza f
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Matrice FODO con uguale intensità focalizzante
e defocalizzante
F
O
D
O
sempre focalizzante

• Vincoli della matrice M
• In un sistema conservativo (Hamiltoniano) il
  teorema di Liouville enuncia la conservazione
  della densità dello spazio delle fasi ? det M
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• Condizione necessaria di stabilità orbitale tr
  M ? 2 (autovalori matrici lt 1)

O
F
O
x
x
x
x
x
x
x
x
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Lapprossimazione lineare consiste nel
considerare lintensità proporzionale allo
spostamento
Indico con L la lunghezza del quadrupolo
Variazione di direzione proporzionale alla
coordinata (come nella lente focale)
Tenere a mente che f dipende da p
Fuoco del quadrupolo
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Emittanza e Accettanza

• Lemittanza del fascio e larea dellelisse
  nello spazio (x , x) , contenente il 90
• del fascio stesso. Si esprime in mm x mrad .
• Laccettanza di un acceleratore e la massima
  emittanza da esso raggiungibile
• senza che avvenga la perdita del fascio di
  particelle.

• conservazione densità spazio delle fasi
• 
  
• ? emittanza costante (in x e y)

La riduzione di r si puo effettuare con
tecniche specifiche (raffreddamento stocastico)


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Componenti di un collider
QUADRUPOLI
DIPOLI
SESTUPOLI
CAVITA RF
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Cromaticitá e Sestupoli
Particelle con diversa energia vengono
focalizzate in modo diverso aberrazione cromatica
p gt p0
p p0
p lt p0
I sestupoli correggono leffetto cromatico dei
quadrupoli
Si utilizzano SF vicino a QF SD vicino a QD
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Radiazione di sincrotrone
Efascio (GeV) ?s (GeV) ?Eorbita (GeV)
45 90 0.085
90 180 1.336
100 200 2.082

• ?Eorbita 4/3 ? Q2 ?3 ?4 / R
• _at_ LEP, ltRgt 4.25 103 m
• ?Eeorbita(MeV) 8.85 10-5 E4 (GeV) / R (Km)
• in QED, la bremsstrahlung ha uno spettro di
  valori la formula fornisce il valore medio

e
g
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Definizione e misure di luminosità
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Esercizio

• LEP 1991
• Luminosità 2.5 1030 cm-2 sec-1 (? exp.)
• Operatività 135 giorni / 365
• lt L gt 50 L
• ? had (MZ) ? 40 nbarn
• Calcolare
• Luminosità integrata in un anno ?
• N.ro di Z?had prodotte in un anno ? exp. ?
• (1 barn 10-24 cm2)

• Risultati
• 107 sec / anno
• ? L 12.5 pb-1
• N 500.000

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Misura della luminosità a LEP
Basata sul conteggio degli eventi di diffusione
Bhabha a piccolo angolo
e-
q
ee- ? ee-
e-
e
Dominato dallo scambio di un fotone in canale
t
e
canale s
q (deg)
45. 90.
regione usata dai luminometri ? 1-10 deg
Bhabha Homi Jehangir, fisico teorico indiano
(Bombay 1909 monte Bianco 1966)
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?(s)-?(t)
?(t)-?(t)
?(s)-?(s)
(elettroni non polarizzati)
Z(s)-?(s) Z(s)-?(t) Z(t)-?(s) Z(t)-?(t)
Z(s)-Z(s) Z(s)-Z(t) Z(t)-Z(t)
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bremsstrahlung, correzioni radiative ad un loop
dal confronto di diversi calcoli teorici e dei
diversi gradi di approssimazione perturbativa (gt
includendo/escludendo termini leading-logs in
a3)
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Il luminometro di DELPHI
Esempio di luminometro Small Angle Tile
Caloremeter (STIC, DELPHI)
Situato a 2200 mm dal punto di interazione Rmin
65 mm Rmax 420 mm Copertura angolare 1.7
10.6 deg
STIC side C
47 sandwich di Piombo (3 mm) e Scintillatore (3
mm) X0Pb 5.6 mm gt 25 X0 Luce raccolta da
wavelength shifting fibers
2200 mm
STIC side A
risoluzione in energia ?/E () 13.5/?E ? 1.5
E in GeV risoluzione in phi 1.2
deg risoluzione in r 200 mm
campionamento in phi 16 x 22.5
deg campionamento in r 10 x 3 cm
Per migliorare la risoluzione sulla direzione
degli sciami e.m. sono stati inseriti due piani
di silicon-strip posti a 4.0 X0 e 7.4 X0 con
passo radiale di 1.7 mm
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(No Transcript)
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sistematiche
Raggio minimo
Si introduce una maschera per definire in modo
preciso rmin
senza maschera
con maschera
STIC
Variazione IP
D 2200 mm
0.1 per ogni mm
?L/L 0.1 0.06 (IP) ? 0.04 (Maschera) ?
Selezioni
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Sistemi complessi di rivelazione
I calorimeteri misurano lenergia e la posizione
delle particelle mediante il loro totale
assorbimento nel dispositivo.
Il rivelatore di muoni è un dispositivo di
tracciamento posto a valle dei calorimeteri.
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Targhetta fissa
Collider
CMS
HERA-B
? ??
(E1E2)
? 4?
LHC L 1033 ? 1034 cm-2 sec-1 LEP L 1030 ?
1032 cm-2 sec-1
Sistema di trigger efficiente
Fast Tracking
Ogni evento viene reccolto
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Rivelatore DELPHI
DEtector with Lepton Photon Hadron Identification
N.I.M. A303 (1991),233 A378(1996),
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enfasi sulla identificazione di particelle
rivelatore dedicato Ring ImagingCHerenkov
N.I.M. A323 (1992),351
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Dati reali
Dati di simulazione MonteCarlo
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Rivelatore SLD
Phys.Rev.Lett. 70 (1993),2515

• Precision CCD Vertex Detector
• Central Drift Chamber (CDC)
• Cherenkov Ring Imaging Detector (CRID)
• Liquid Argon Calorimeter (LAC)
• Warm Iron Calorimeter (WIC)
• Compton Polarimeter

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Misura della polarizzazione
Utilizza lo scattering Compton della luce
polarizzata. Langolo di scattering dipendente
dallo spin dellelettrone.

• Compton Polarimeter
• ltPe-gt 75
• sltPegt 0.5
• Quartz Fiber Polarimeter and Polarized Gamma
  Counter run on single e- beam crosschecks
• ltPegt -0.02 0.07

elettroni diffusi
Luce polarizzata Circolarmente (YAG Laser, 532
nm)
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Rivelatore CDF
Muon Detector Hadronic Calorimeter Electromag
netic Calorimeter Central Drift Chamber TOF (Time
Of Flight) Silicon Vertex Detector
Misura TOF gt Misura ? gt Identificazione di
particella
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Definizioni
in unità naturali
nel S.I.
X0 distanza media nella quale un elettrone riduce
la propria energia di un fattore 1/e per
bremsstrahlung
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Riferimenti
Introduzione alla fisica delle particelle
sperimentali Introduction to experimental
particle physics - Richard Fernow - Cambridge
university press Introduzione agli
acceleratori Fisica Eltettrodebole Z Physics
at LEP I CERN 89-08 Vol 1 Bhabha scattering
(pag. 171) ( http //weblib.cern.ch/ gt link a
Yellow Reports ) Luminometro di DELPHI The
small angle tile calorimeter in the DELPHI
experiment N.I.M. A 425 (1999) 106-109
http//ab-div.web.cern.ch/ab-div/Training/2007/AXE
L20Lectures/
Lezioni
http//www.pd.infn.it/torassa/dottorato/dottorato
.html