lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali

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: +/-

1947: +/-

1947/1953: Inizio della proliferazione degli adroni: K+, K0, 0, -, +

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 90: ritorno ai RCAnni 90: ritorno ai RC

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, , K0 (450 GeV)

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

Partecipazione significativa in grosse collaborazioni internazionaliPartecipazione significativa in grosse collaborazioni internazionali







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 di Deep Inelastic Scattering.


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

Nella nuova fase sono disponibili fasci di elettroni (o positroni) con polarizzazione longitudinale.

Il programma prevede la misura di precisione di funzioni di struttura e sezioni di urto di Deep Inelastic Scattering, lo studio della produzione di heavy flavour e la ricerca di nuovi fenomeni con sensibilità accresciuta.


Ricerca di Lepton Flavour Violation

I processi in cui l’elettrone (o positrone) iniziale e’ sostituito da un muone o un tau possono essere 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 massa prodotte in modo risonante (canale s) o contribuire in modo indiretto (canali s e u).

Evento simulato con muone nello stato finale

Gli eventi hanno elevato impulso trasverso mancante e un muone o un tau con esso allineato.Nessuna evidenza e’ stata trovata di eventi con Lepton Flavour Violation nel canale muonico o in quello tau nella statistica di HERA I raccolta da ZEUS 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 R

Re (14.7 2.2) 10

[Risultato f

ε

inale di N

6

A4 ]8

NA48 all’SPSNA48 all’SPS


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 neutri sono 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


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

b–b correlation

LHCb physics goalLHCb physics 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


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 m 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 > 3–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 Tracker Calorimetro Adronico

rame + scintillatori

15 m21.5 m

Camere μ Drift Tubes + Cathode Strip Chambers + RPC

ECAL

cristalli PbWO4

Magnete

superconduttore

4 Tesla

Misura di precisione di muoni, elettroni, , jets in un largo intervallo di energia

• Tracciatori di precisione in campo magnetico (4 T)

• sofisticata calorimetria elettromagnetica ed adronica

L’esperimento CMS ad LHCL’esperimento CMS ad LHC


Il programma scientifico:Il programma scientifico:

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

• Ricerca della particella di Higgs e dell’origine della massa

• 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 segnale analogico.

• Scopo: pt ~ 1-2 % a 100 GeV/c :

– misura dei leptoni con ottima risoluzione (canali di nuova fisica); – ricostruzione di risonanze strette; – fisica del B.

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

Il tracciatore centraleIl tracciatore centrale


• 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 meccanica con 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 E

Deviazioni 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 E

3 E

7.2 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 I)

SorgentiMeccanismi di accelerazioneMeccanismi di propagazioneMezzo interstellareTempo di confinamentoNucleosintesiCampi magneticiFisica del soleGeofisica

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

410p

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







Raggi cosmici



Onde gravitazionali





Antimateria nei RC

Problema 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 PAMELA

Esperimento in orbita su satellite russo: Lancio nel 2004


Situazione sperimentale attuale


Pamela SubdetectorsTRD

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

• 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 300m thick Si detectors

• ~3m 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 / 0.9

• Imaging: EM - vs- hadronic discrimination. 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 + P GZK cutoff ?

PROTONI ?

ISOTROPIA ?

CLUSTERS ?

CUTOFF ?

OGNI INTERPRETAZIONE RICHIEDE NUOVA FISICA O NUOVA ASTROFISICA

17 EVENTI


EUSO : obiettivi scientificiEUSO : obiettivi scientifici

• Misura ad alta statistica dello spettro dei raggi cosmici oltre il limite 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 di eventuali sorgenti puntiformi ; risoluzione angolare =1o

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

• 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, 2300kg lunghezza 3m, diametro 60cm raffreddata a 0.1 K speciali sospensioni

AURIGAAURIGA


820 840 860 880 900 920 94010

-20

10-19

10-18

Sh

h (

1/H

z)

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 attrezzature

Per 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!!!!


Attività del gruppo di FirenzeAttività del gruppo di Firenze

Il gruppo di Firenze è stato impegnato nell’esperimento dalla sua fase iniziale ed ha contribuito alla presa dati, allo sviluppo del software (es. nuovo event display) e alla analisi a vari livelli di responsabilità.

Attualmente esprime la Physics Chairperson (E.Gallo).

Ha svolto analisi su funzioni di struttura, fisica diffrattiva e fisica oltre il modello standard (argomento su cui è attualmente concentrato).


RisultatiSono stati posti limiti sui Leptoquark che mediano le interazioni.

Sono qui illustrati I limiti ottenuti dalla ricerca dei canali muone (sinistra) e tau (destra) per Leptoquark di bassa massa Scalari e Vettoriali con numero fermionico F=0, confrontati con limiti da esperimenti di bassa energia e decadimenti rari.


Cosa sono i RC?

Radiazione elettromagnetica: RadioIRVisibileUVX

Particelle cariche: pe-

e+

AntiprotoniNuclei Antinuclei????

Particelle neutre: ???

Onde gravitazionali…..

RC

AstronomiaAstrofisica


Aspettative di Pamela


• Distortion of antiproton flux due to one possible model of neutralino annihilation based on MSSM

• This model predicts signal for large E(antip) high mass neutralino (~1 TeV).

• Note that signal >> background for E(antip) 20GeV

• Need to perform an experiment accumulate a high purity sample anti-protons

Signature of Neutralino Annihilations

Contribution from neutralino annihilation

Secondary production (background!)


Spectral Analysis VI1 station:


Risultati preliminari del deposito di carica dovuto ai raggi cosmici primari al minimo di modulazione solare. Per confronto, si consideri che un brillamento di media-alta intensita' produce un flusso di protoni che deposita una carica di circa 11000 e+/s.


Schema del tracciatore:

Sensori a microstrisce:• Passo: da 80 m a 205 m; spessore: 320 m (parte interna) e 500 m

(parte piu` esterna)• Piu` di 27000 sensori che verranno prodotti con linee industriali da 6’’• Piu` di 10 milioni di canali di lettura. Chip di lettura realizzati in

tecnologia industriale a 0.25m. Eccellente prestazioni di rumore e resistenza alla radiazione.


400 eventi per anno E>1020eV


I raggi cosmici di energia > 100 MeV attraversano lepareti di LISA, caricando le masse di prova, e generando fra le masse di prova e le superfici conduttive che le circondano forze spurie che possono essere confuse consegnali gravitazionali. Per valutare queste forze spurieoccorre determinare il flusso dei raggi cosmici primari edi origine solare in prossimità dell’orbita di LISA

Qui, per esempio, è mostrato il flusso dei protoni dei raggicosmici primari al minimo e al massimo di modulazione solare. I protoni sono il 90% del campione dei raggicosmici; nuclei di elio sono l’8%, ed il restante 2%, sono elettroni e nuclei pesanti


Nel 2002 è stato usato un fascio di soli KS per cercare decadimenti super-rari, tra cui: 0 2.9 9

S 2.4

[7 eventi

BR(K π e e ) (5

con un fondo di 0.1

.8 ) 1

5]

0

Nel 2003-2004 sono stati usati due fasci simultanei di K e K per cercare la Violazione diretta di CP nei decadimenti in tre pioni


LHCb physics goalLHCb physics goal• TThe experiment will provide high precision tests of CP violation in B meson

decays exploiting a large number of different B decay channels

Enormous production rate at LHCb: ~ 1012 b(bbar) pairs per year much higher statistics than the current B factoriesBut more background from non-b events challenging triggerand high energy more primary tracks, tagging more difficult

• EExpect ~ 200,000 reconstructed B0 J/ KS events/year(current B-factory samples of ~ 2000 events) precision on sin 2 ~ 0.02 in one year for LHCb (similar to expected world average precision in 2007)

• EExpect ~ 26,000 reconstructed B0 events/year(~ 1000 from B-factory by 2007)

• BBut in addition, all b-hadron species are produced: B0, B+, Bs, Bc , b …


Multi Anode PMTs200.000 pixels

Fresnel lenses

lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali

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