lo studio delle particelle elementari e delle...

Firenze, 4 Febbraio 2004 Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

Lo studio delle particelle elementari e delle Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentaliinterazioni fondamentali

• la fisica agli acceleratori• la fisica dei raggi cosmici• la fisica delle onde gravitazionali

Gruppo 1 + 2 INFN

Campi di ricerca estremamente attualiOltre 70 ricercatori+tecnici coinvoltiAttività sperimentale tecnologicamente avanzata


Gruppo 1Fisica agli acceleratori

• Interazioni e- p (ZEUS)

• Violazione di CP (NA48 + LHCB)

• Ricerca di nuova fisica (CMS)

Gruppo 2Fisica non agli acceleratori

Raggi cosmici

• Antimateria nei RC(PAMELA)

•RC di energia estrema(EUSO)

Onde gravitazionali

•Barre risonanti (AURIGA)

•Interferometri ottici(VIRGO/LISA)

Interdisciplinarietà

•Magia•Cuoricino/Cuore•…


RC Fisica agli acceleratori

Dal 1930 fino al 1950 i RC sono stati il principale (unico?) acceleratore a disposizione per la Fisica delle Particelle!!!

1927: scoperta degli sciami prodotti dai RC1932: e+

1937: µ +/-

1947: π +/-

1947/1953: Inizio della proliferazione degli adroni: K+, K0, Λ0, Ξ-, Σ+

A partire dagli anni 50 gli acceleratori hanno ‘preso il sopravvento’ (anche a Firenze!):•Intensità (Luminosità)•Direzionalita’•Energia fissata•Riproducibilità

Ma….

Solo per la Fisica delle particelle,non per l’Astrofisica!!!!


Anni Anni 90: 90: ritorno ai ritorno ai RCRC

1. Energie in gioco

2. Collegamenti interdiscplinari • Fisica Nucleare• SubNucleare• Astrofisica• Cosmologia

3. Nuovi mezzi tecnici • Grandi rivelatori• Satelliti

pp → X pEmE pcm 2≅

Energie elevatissime (>106 ELHC)


La Fisica agli acceleratoriLa Fisica agli acceleratori• Acceleratore LEP al CERN-Ginevra (Svizzera) (1989-2000)

(Esperimento L3)Interazioni e+ e- (45 GeV / 45 GeV, 100 GeV / 100 GeV)Fisica della Z0 e dei W+/W-, verifiche di precisione del Modello Standard

• Acceleratore Hera a Desy-Amburgo (Germania) (1993 …)Interazioni e- p (27.5 GeV / 920 GeV)

• Acceleratore SPS al CERN (Anni 70 …)Fasci di p, π, K0 (450 GeV)

• Acceleratore LHC al CERN (2007 …)Interazioni p p (8 TeV / 8 TeV)

Partecipazione significativa in grosse collaborazioni internazioPartecipazione significativa in grosse collaborazioni internazionalinali







Raggi cosmici



Onde gravitazionali





ZEUS ad HERA IL’esperimento ZEUS ad

HERA (DESY)rivela collisioni di

elettroni (o positroni) e protoni

Sono stati raccolti 17.5 pb-1 con elettroni e protoni e 114.6 pb-1 con positroni e protoni.

Sono state effettuate misure estese di funzioni di struttura e sezioni d’urto diDeep Inelastic Scattering.


HERA II L’esperimento sta prendendo dati dopo uno shutdown per l’aumento della luminosità dicirca un fattore 4.7 e l’installazione di nuovi rivelatori (MicroVertice, Straw-Tube Tracker).

Nella nuova fase sono disponibili fasci dielettroni (o positroni) con polarizzazionelongitudinale.

Il programma prevede la misura diprecisione di funzioni di struttura e sezioni di urto di Deep Inelastic Scattering, lo studio della produzione diheavy flavour e la ricerca di nuovifenomeni con sensibilità accresciuta.


Ricerca di Lepton Flavour Violation

I processi in cui l’elettrone (o positrone) inizialee’ sostituito da un muone o un tau possonoessere mediati da Leptoquark in modelli non diagonali nella famiglie (es. Bűchmuller-Rűckl-Wyler).

Tali particelle hanno numeri leptonico L e barionico B diversi da 0 e sono classificate in base al numero fermionico F=|L+3B|=0,2.

Possono essere a seconda della massaprodotte in modo risonante (canale s) o contribuire in modo indiretto (canali s e u).

Evento simulato con muone nello statofinaleGli eventi hanno elevato impulso trasversomancante e un muone o un tau con essoallineato.Nessuna evidenza e’ stata trovata di eventi con Lepton Flavour Violation nel canale muonico o in quello tau nella statistica di HERA I raccolta daZEUS e finora analizzata.







Raggi cosmici



Onde gravitazionali





NA48 è un esperimento CERN dedicato allo studio dei mesoni KK± e K0(KS e KL) sono mesoni costituiti da un quark(antiquark) s (strange)ed un antiquark(quark) u(up) o d(down)

Negli anni 50 nei K± si è scoperta la Violazione della Parità: destra e sinistra non sono simmetriche

Nel 1964 nei KL si è scoperta la Violazione di CP: Materia e Antimateria non sono simmetriche

Negli anni 1997-2001 NA48 ha scoperto la Violazione “diretta” di CP nei K0: particella e antiparticella hanno probabilità di decadimento differentiLa violazione “diretta” di CP nei K0 si parametrizza con:

4ε 1 RRe (14.7 2.2) 10

[Risultato fε

inale di N6

A4 ]8

−′ − = = ± ×

NA48 NA48 all’SPSall’SPS


Kevlar window

Drift chamber 1

Anti counter 6Drift chamber 2

Magnet

Drift chamber 3

Helium tank

Anti counter 7Drift chamber 4

Hodoscope

Liquid krypton calorimeterHadron calorimeter

Muon veto sytem

Come funziona l’esperimento NA48?Grazie all’acceleratore SPS del CERN sono prodotti due fasci simultanei di KS e KL, i cui decadimenti in due pioni carichi o due pioni neutrisono rivelati da:

• uno spettrometro magnetico con camere a fili• un calorimetro elettromagnetico a Kripton liquido• un sistema di scintillatori per rivelare i protoni che producono i KS(tagger)• un calorimetro adronico, un muon veto, due odoscopi per il trigger, etc


CERN

Geneva airport

ATLAS

CMS ALICE

LHCb

Mont Blanc

LHC tunnel

LHC: pp collider, 8 TeV + 8 TeV, 2007LHC: pp collider, 8 TeV + 8 TeV, 2007


B hadrons are mostly produced in the forward direction (along the beam)

Choose a forward spectrometer10–300 mrad

Both b and b in the acceptance: important for tagging the production state of the B hadron

01

23

12

3

θb�� [rad]�

�

θb�� [rad]�

�

b

b

b

b

b

b

θb

doesn't occur

b–b correlation

p

parton 1

b

b

Boost

p

parton 2

LHCbLHCb physics goalphysics goal:: High precision tests of CP violation in B meson

1012 b(bbar) pairs per year


Typical B event

Need to measure proper time of B decay: t = mL / pchence decay length L (typically ~ 1 cm in LHCb)and momentum p from decay products (which have ~ 1–100 GeV)

Also need to tag production state of B: whether it was B or BUse charge of lepton or kaon from decay of the other b hadron

b-hadron

π+

l −

Κ−

π+π+

π−

B0

pp interaction�(primary vertex)

L


LHCb detector

Muon system to identify muons, also used in first level of trigger Efficiency ~ 95% for pion misidentification rate < 1%

Vertex locator around the interaction region Silicon strip detector with ~ 30 µm impact-parameter resolution

Calorimeter system to identify electrons, hadrons and neutrals Important for the first level of the trigger

Two RICH detectors for charged hadron identificationProvide > 3σ π–K separation for 3 < p < 80 GeV

Tracking system and dipole magnet to measure angles and momenta ∆p/p ~ 0.4 %, mass resolution ~ 14 MeV (for Bs →DsK) Magnetic field regularly reversed to reduce experimental systematics

• Excellent tracking and vertexing• Excellent particle identification capabilities• Specialised trigger for efficient B decay identification and background rejection


Activity in FlorenceActivity in Florence

• INFN of Florence is building about 200 of the 1400 Multi Wire Proportional Chambers of the LHCb Muon Detector

Chamber prototype

Chamber wire soldering with laser beams







Raggi cosmici



Onde gravitazionali





Tracker Pixel+Silicon TrackerCalorimetro Adronicorame + scintillatori

15 m21.5 m

Camere µ Drift Tubes + Cathode Strip Chambers + RPC

ECALcristalli PbWO4

Magnete superconduttore

4 Tesla

Misura di precisione di muoni, elettroni, γ, jets in un largo intervallo di energia• Tracciatori di precisione in campo magnetico (4 T)• sofisticata calorimetria elettromagnetica ed adronica

L’esperimentoL’esperimento CMS ad LHCCMS ad LHC


Il Il programmaprogramma scientificoscientifico::

Studio della nuova fisica attesa ad una scala di energiamai raggiunta prima con gli acceleratori.

• Ricerca della particella di Higgs e dell’origine dellamassa

• Ricerca di particelle supersimmetriche. Grande Unificazione delle interazioni fondamentali. Neutralino materia oscura nell’universo

• Fisica dei quark pesanti (t, b).• Fisica degli ioni pesanti ad altissima energia. Studio

del quark-gluon plasma.


• 200 m2 di rivelatori in silicio realizzati con tecnologia planare:– Pixels per R < 15 cm– Sensori a micro-strisce di silicio per 20 < R < 110 cm

• Rivelatori ed elettronica di lettura veloci – Adeguati alla velocita` di acquisizione richiesta da LHC (40 MHz)

• Impiego di laser e fibre ottiche per la trasmissione del segnaleanalogico.

• Scopo:σpt ~ 1-2 % a 100 GeV/c :– misura dei leptoni con ottima risoluzione (canali di nuova fisica); – ricostruzione di risonanze strette; – fisica del B.

σip ~ 10-20 µm a 100 GeV/c:– identificazione di b e di τ tramite vertici secondari. – Ricostruzione del tempo proprio nel decadimento (oscillazioni B-B).

Il Il tracciatoretracciatore centralecentrale


• Ricerca e sviluppo dei sensori a silicio• Controllo della qualità di produzione dei sensori;• Test di qualità dei moduli prodotti:• Costruzione dei moduli a microstrip:

microsaldatura in camera pulita• Studio e sviluppo dell’elettronica di

alimentazione•Sviluppo del software di ricostruzione.•Integrazione dei rivelatori sulla struttura meccanicacon elettronica di lettura e trasmissione ottica del segnale.•Studio dei prototipi di rivelatore finale in test su fascio.

Attività su CMS a FirenzeAttività su CMS a Firenze







Raggi cosmici



Onde gravitazionali





7.2−∝Φ EDeviazioni da questa leggedi potenza nelle regioni del•ginocchio (3.1015 eV)•caviglia (5.1018 eV)

LHC Beam Energy LHC CM Energy

High Energy

Very High Energy

Ultra High Energy

7.2−∝Φ E

3−∝Φ E

7.2−∝Φ E

I Raggi CosmiciI Raggi Cosmici(L’altra faccia della medaglia!)


Cosa possiamo imparare dai RC?Misure/Effetti sperimentali Informazioni Fisiche

Composizione: p ≅ 85%He ≅ 12%C,N,O ≅ 10-2

Fe ≅ 10-4

e- ≅ 2%e+ ≅ 10-4

Spettri energeticiComposizione isotopicaRicerche di antinucleiRicerche di nuove particelle

Modulazione solareTaglio geomagneticoFasce di radiazioneAtmosfera (23 X0, 11 λI)

SorgentiMeccanismi di accelerazioneMeccanismi di propagazioneMezzo interstellareTempo di confinamentoNucleosintesiCampi magneticiFisica del soleGeofisica

Simmetria materia/antimateria???Nuove particelle???Materia oscura???Nuove interazioni???

410−≅p

2 campi di ricerca 1) Antimateria nei RCattivi a Firenze 2) Ultra High Energy Cosmic Raysnegli ultimi anni







Raggi cosmici



Onde gravitazionali





Antimateria nei RCProblema cosmologico: simmetria/asimmetria materia/antimateria?

2 ipotesi cosmologiche: 1. L’universo è simmetrico: materia e antimateria occupano dominii differenti2. L’universo è fatto solo di materia;

Condizioni di Sakharov:1. Violazione numero barionico2. Violazione CP3. Non equilibrio termodinamico

Investigazione diretta della antimateria nell’Universo: Ricerca diretta di antiparticelle nei RC!!!!

Nep ,, +

Esperimento PAMELAEsperimento in orbita su satellite russo: Lancio nel 2004


Situazione sperimentale attuale


Pamela SubdetectorsTRD

• Threshold device. Signal from e±, no signal from p, π

• 9 planes of Xe/Co2 filled straws (4mm diameter). Interspersed with carbon fibre radiators ⇒ crude tracking.

• Aim: 102 separation e -vs-p (above 1GeV/c). NB: 106

with calorimeter.

Si Tracker + magnet

• Measures rigidity

• 5 Nd-B-Fe magnet segments (0.4T)

• 6 planes of 300µm thick Sidetectors

• ~3µm resolution in bending view demonstrated,ie: MDR = 740GV/c

Time-of-flight

• Gives L1 trigger / detects albedos / particle identification (up to 1GeV/c) / dE/dx

• Plastic scintillator + PMT

• Timing resolution = 70ps

Si-W Calorimeter

• Measures energies of e±. ∆E/E = 15% / E1/2.

• Si-X / W / Si-Y structure.

• 22 Si / 21 W ⇒ 16X0 / 0.9λ0

• Imaging: EM - vs- hadronicdiscrimination. Reconstruct long. and transverse shower profile.

Anticoincidence system

• Defines acceptance for tracker

• Plastic scintillator + PMT

• Binary read-out

[Acceptance ~21 cm2sr]

Firenze


Possible increase of the antiprotonFlux due to Neutralino annihilation







Raggi cosmici



Onde gravitazionali





LO SPETTRO DEI RAGGI COSMICI ALLE ENERGIE ESTREMELO SPETTRO DEI RAGGI COSMICI ALLE ENERGIE ESTREME

P + γ ∆ P π..GZK cutoff ?

PROTONI ?

ISOTROPIA ?

CLUSTERS ?

CUTOFF ?

OGNI INTERPRETAZIONE RICHIEDE NUOVA FISICA O NUOVA ASTROFISICA

17 EVENTI


EUSO : EUSO : obiettivi scientificiobiettivi scientifici

• Misura ad alta statistica dello spettro dei raggi cosmici oltre illimite GZK (E>5 * 1019 eV); previsti circa 700 eventi/anno con energia E>1020eV , risoluzione in energia ∆E/E = 20%

• Misura su tutto l’angolo solido del flusso di EECR e ricerca dieventuali sorgenti puntiformi ; risoluzione angolare ∆θ=1o

• Misura Xmax medio Identificazione primario (P,Nuclei,γ,ν)

• Ricerca di neutrini EECR– I neutrini non sono affetti dal taglio GZK e possono venire da

sorgenti molto lontane, sono previsti da molti modelli di accelerazione di EECR


EUSO on the ISS : SCHEMA GENERALE

EUSO Geometry

Detector altitude = 380 km

orbital period = 90 min

duty cycle = 0.1- 0.2

Total field of view = 60°

optics diameter = 2.5 m

Geometrical factor = 5 · 105 km2 sr

Pixel size = (.8 · .8) km2

background = 500 ph/m2/ns/sr

EUSO : Extreme Universe Space Observatory

Focal surface (pixels)

Fresnel lenses

30o

0.1o

Cosmic ray

Fluorescence

Cherenkov

0.8 km







Raggi cosmici



Onde gravitazionali





Le onde gravitazionaliLe onde gravitazionali

2 tecniche ‘complementari’• Barre risonanti AURIGA a Legnaro• Interferometri ottici VIRGO a Cascina

Sono previste dalla teoria della Relatività Generale e sono generate dal moto accelerato di masse.

Ondulazioni dello Spazio-tempo, il cui effetto sulla materia al suo passaggio è di deformarla secondo le direzioni perpendicolari a quella di propagazione (sono onde trasversali).


Transducer

Electronics wiring support

LHe4 vesselAl2081 holder

Main Attenuator

Compression Spring

Thermal Shield Caratteristiche

principali:Alluminio, 2300kglunghezza 3m,

diametro 60cmraffreddata a 0.1 Kspeciali sospensioni

AURIGAAURIGA


820 840 860 880 900 920 94010-20

10-19

10-18

√Shh

(1/√

Hz)

Frequency (Hz)

Nd:YAGlaser

Phasemod.

Powerstab.

beam-splitter

transducercavity

optical fiber

Frequencylocking

FM sidebandstechnique

FM sidebandstechnique

Dataacquisition

Low frequencylocking

pzt actuator

referencecavity

temperaturecontrol

Trasduttore ottico: lettura delle vibrazioni della barra tramite laser

Sensibilità dimostrata a temperatura ambiente


Evoluzioni futureEvoluzioni futureDual Sphere, Dual torus:Dual Sphere, Dual torus: sono dei rivelatori non risonanti che misurano lo spostamento differenziale di due masse concentriche su un intervallo di frequenze compreso tra le due frequenze di risonanza delle singole masse (1 kHz di banda).


VIRGOVIRGO

Interferometro ottico con bracci lunghi 3 km


La sospensione di Virgo


La sensibilità di Virgo


LISA è un interferometrospaziale (ESA-NASA)composto da unacostellazione di tre satelliti distanti 5 milioni di km l’uno dall’altro.

Il futuro: LISAIl futuro: LISA


3 pairs of “free falling” test masses

( 3 10-15 ms-2 Hz-1/2 @ 0.1 mHz)3 “test-mass follower”shielding spacecraft

2 semi-independent 5 106 km Michelson Interferometers with Laser Transponders

( 40 pm Hz-1/2)

Goal: GW at

0.1 mHz – 0.1 Hz

5 106 km

Spacecrafts

Test Masses

Telescopes

21 -3Strain sensitivity 3 10 Hz @ 10 Hz−≈ ×

LISA


Problema delle forze dovute alle cariche elettrostatiche generate dai Raggi Cosmici Firenze


La tecnologia e le attrezzatureLa tecnologia e le attrezzaturePer realizzare questi esperimenti è necessario:• Competenza tecnologica avanzata• Collaborazione tra vari enti di ricerca (INFN,

CNR, Università, INO, Osservatorio etc.)• Attrezzature (Camere pulite, Tecnologie per

sviluppo di rivelatori, Elettronica, Sistemi di Acquisizione, Rivelatori al silicio…)

NUOVO EDIFICIO INFN!!!!

• La Fisica e la Tecnologia sono sempre più interconnesse


ConclusioniConclusioni• Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni

fondamentali a Firenze è un campo in intensa attività

• Fisica agli acceleratori complementare alla Fisica dei Raggi Cosmici

• La Fisica delle Onde Gravitazionali ha avuto un forte impulso

Negli ultimi anni è stato seminato molto…

Speriamo in un buon raccolto nei prossimi anni!!!!

lo studio delle particelle elementari e delle...

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