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Recenti verifiche sperimentali del Modello Standard e prospettive ai nuovi acceleratori

Recenti verifiche sperimentali del Modello Standard e prospettive ai nuovi acceleratori. U. Gasparini. Overview. 12 anni di “Fisica ai collisori e+e-” (LEP + SLC): il trionfo del “Modello Standard” Fisica dei quark pesanti e mixing dei quark: LEP, Babar,Belle

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Recenti verifiche sperimentali del Modello Standard e prospettive ai nuovi acceleratori

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Presentation Transcript

  1. Recenti verifiche sperimentali del Modello Standardeprospettive ai nuoviacceleratori U. Gasparini Corso SM, Dottorato, XIII ciclo

  2. Overview 12 anni di “Fisica ai collisori e+e-” (LEP + SLC): il trionfo del “Modello Standard” Fisica dei quark pesanti e mixing dei quark: LEP, Babar,Belle Fisica ai collisori adronici ed e-p Il prossimo futuro: Tevatrone Run II e LHC Corso SM, Dottorato, XIII ciclo

  3. Bibliografia • Fisica elettrodebole e misure di precisione: • Testi di base: • - Halzen, Martin : “Quarks &Leptons” (in particolare cap: 12-15), Wiley, 1982 • Burcham, Jobes : “Nuclear and Particle Physics”, Longman 1995 • Monografie, articoli: • CERN Yellow report 89-08 ‘ Physics at LEP’ • “ “ 96-01 ‘ Physics at LEP2’ • (consultabili anche su Web: http://weblib.cern.ch/ • => link a “Yellow Reports” ) • - Burkardt, Steinberger “Tests of the e.w. theory at the Z resonance”, • Ann.Rev.Nucl.Part.Sci.41 (1991) • - Langacker & AA.VV., “Precision tests of the Standard Electroweak Model”, • Advanced Series in H.E.P., vol 14 (1995) • + articoli quotati nelle slides su argomenti specifici..... Corso SM, Dottorato, XIII ciclo

  4. Il “Modello Standard” delle interazioni elettrodeboli e forti E’ l’ attuale descrizione delle interazioni elettro-deboli e forti dei costituenti fondamentali della materia (quarks (all’interno degli adroni) e leptoni (e,m,t con i relativi neutrini), oggetti “puntiformi” di spin ½, basata su due teorie di gauge non –abeliane: QCD (Quantum CromoDynamics) : gruppo di summetria SU(3) di “colore” QEWD (Quantum ElectroWeakDynamics) : gruppo di simmetria SU(2)xU(1) Corso SM, Dottorato, XIII ciclo

  5. Il “Modello Standard” Lagrangiana della QEWD (cfr. Halzen, Martin, “Quarks & leptons”, cap.13, 15): LQEWD= Lgauge+ Lfermioni + LHiggs Sviluppando i ”termini di interazione”: Lfermioni = Llept+ Lquark s=(s1,s2,s3) : matrici di Pauli, Wm, Bm generatori dei gruppi SU(2), U(1) Corso SM, Dottorato, XIII ciclo

  6. Il “Modello Standard” la parte di interazione (ad esempio, per i leptoni), si può scrivere: l “correnti cariche” n W- W+ l n n,l “correnti neutre” Z0 n,l “corrente e.m.” (=> QED) Corso SM, Dottorato, XIII ciclo

  7. dove: Il “Modello Standard” W ±m= [W1m±i W2m] /2 “angolo di Weinberg”: tutte le costanti di accoppiamento di tutti i fermioni ai bosoni intermedi nello SM sono esprimibili in funzione di quest’ unico parametro “carica elettrica” Dal meccanismo di rottura spontanea della simmetria, sviluppando il termine di massa in LHiggs (cfr. Halzen, cap.15), si ottiene inoltre (sempre a livello albero): MW= vg/2, MZ= v(g2+g’2)1/2/ 2 e quindi: MW/MZ= cosqW valore di aspettazione nel vuoto del campo di Higgs Corso SM, Dottorato, XIII ciclo

  8. Il “Modello Standard” Le costanti di accoppiamento vettore e assiale-vettore che entrano nella usuale definizione delle correnti neutre per calcolare le ampiezze di scattering neutrino-leptone: costante di Fermi (dal decadimento del muone) n n Z0 l l sono date da: gA=-1/2 gV=-1/2 + 2 sin2qW g=e/sinqW n l W G mentre: n l g Corso SM, Dottorato, XIII ciclo

  9. Il Modello Standard • Il MS determina con precisione le quantità osservabili ai collisori • e+e-: • - le sezioni d’urto di diffusione: se+e- ff (s) , f =e,m,t,q • le sezioni d’urto differenziali e le conseguenti “asimmetrie”: • ds/d(cosq), AFB (sF-sB)/s • con sF = 10ds/d(cosq)dcosq, sB = 0-1ds/d(cosq)dcosq • dove q è l’ angolo di scattering del fermione positivo : m+ q e- e+ m- Corso SM, Dottorato, XIII ciclo

  10. s(s) (pb) f = quark, leptone Scattering e+e- ff 30 nb Sviluppando la sola parte di QED: 104 1.5 nb angolo di scattering 103 s<<MZ2 102 10 e+ g g e- Corso SM, Dottorato, XIII ciclo

  11. Dalla lagrangiana completa, a “livello albero” si ottiene (per fasci e+ e- non polarizzati): Scattering e+e- ff 2 g Z + (cfr.e.g. Halzen-Martin, eq(13.62)) dW=2pd(cosq) termine di asimmetria termine risonante (in “unità naturali”; nel S.I.) gV,gA: costanti di accoppiamento vettore e assiale-vettore della Z ai fermioni gAf=I3f I3f : 3a componente isospin del fermione gVf=I3f-2qfsin2qW angolo di Weinberg: cosqW=MW/MZ carica elettrica del fermione (in unità di e)

  12. Scattering e+e- ff Integrando sull’ angolo solido tenendo conto della radiazione di stato iniziale, dell’ interferenza fotone-Z interferenza tra rad.di stato iniziale e finale + diagrammi “a box” di pura QED sBorn(s) s(s) funzione di radiazione di stato iniziale (calcolabile in pura QED) si determina la line-shape della risonanza Z, funzione dei parametri del modello, da confrontarsi con i dati sperimentali (N.B. le correzioni radiative elettrodeboli modificano sBorn; vedi seguito per una discussione più approfondita)

  13. Il “trionfo” dello “Standard Model” (e di LEP !) 5 M ev/exp rate:  1 Hz (LLEP1032cm-2s-1) 12 anni di presa dati:  Ldt 1 fb-1 ( 0.2 @  MZ 0.8 @ ECM=130-208 GeV) LEP II : 1996-2000 LEP I: 1989-95 e+ W+ W+ Z*, g + n 104 ev/exp e- W - W - Z Z*, g 102 ev/exp Z MISSING ! Corso SM, Dottorato, XIII ciclo

  14. LargeElectronPositron collider SPS SPS L3 DELPHI OPAL LEP ALEPH 4 punti di interazione (=> esperimenti) Fasci iniettati a 22 GeV dall’ SPS Circonferenza: 27 km Energy range: 20 – 104.5 GeV Corso SM, Dottorato, XIII ciclo

  15. LEP collider Perdita di energia per radiazione di swincrotrone per giro : Esempio : ad Ebeam= 104 GeV ~ 3% dell’ energia del fascio Largo raggio di curvatura. Tuttavia: Vrf ~ 3.6 GV a 104 GeV. il maggior sistema RF nel mondo Corso SM, Dottorato, XIII ciclo

  16. LEP collider 1280 cavità RF 160 MWatt : potenza fornita alla massima energia (104 GeV) ( E0=0.511 MeV ) LEP1: cavità in rame LEP2: cavità superconduttrici Corso SM, Dottorato, XIII ciclo

  17. Rivelatori a LEP 4 rivelatori “omni-purpose” nei punti di interazione ALEPH, DELPHI, L3, OPAL Simile struttura a “layers”: Raggio(m) Rivelatori muoni Calorimetri adronici Calorimetri elettromagnetici Rivelatori di tracce (+ identificazione particelle) Rivelatori “microvertici” Beam pipe 5. 2-3 1.5 - 2. 0.3 - 1.5 0.1 0. Corso SM, Dottorato, XIII ciclo

  18. Rivelatori a LEP Esempio: DEtector with Lepton Photon Hadron Identification [N.I.M. A303 (1991),233 “ A378(1996), 57] enfasi sulla identificazione di particelle: rivelatore dedicato: Ring ImagingCHerenkov [N.I.M. A323 (1992),351] Corso SM, Dottorato, XIII ciclo

  19. [N.I.M. A294 (1990),121] ALEPH Rivelatori a LEP [N.I.M. A289 (1990),35] L3 ha la più grande TimeProjection Chamber mai costruita enfasi sulla misura di precisione dei leptoni: Calorimetro e.m. ad elevate prestazioni (cristalli di BGO), spettrometro in aria per i muoni [N.I.M. A305 (1991),275] OPAL Corso SM, Dottorato, XIII ciclo

  20. Rivelatori a LEP Evento ee WW  4jets in ALEPH (s=161 GeV) TPC ECAL HCAL Corso SM, Dottorato, XIII ciclo

  21. Rivelatori a LEP RICH (Delphi): principio di funzionamento (nella TPC) Dati di simulazione MonteCarlo Corso SM, Dottorato, XIII ciclo

  22. Rivelatori a LEP Dati reali Dati di simulazione MonteCarlo Corso SM, Dottorato, XIII ciclo

  23. Rivelatori a LEP Vertici secondari Misura dei vertici secondari resa possibile dal boost di Lorentz; a LEP, tipicamente, per il quark b: g Eb/mb 35 GeV / 5 GeV  7; gct  7· 300mm  2 mm Corso SM, Dottorato, XIII ciclo

  24. Misura della luminosità e luminometri La determinazione della luminosità della macchina è fondamentale per la misura delle sezioni d’ urto dei processi osservati: Luminosità integrata sul tempo di presa dati efficienza (trigger+ricostruzione +selezione) Gli esperimenti si sono dotati di speciali calorimetri elettromagnetici posti a piccolo angolo polare rispetto ai fasci ( “luminometri” ) per la misura di precisione della luminosità ( => sL / L  0.1% ) Corso SM, Dottorato, XIII ciclo

  25. Misura della luminosità a LEP Basata sul conteggio degli eventi di diffusione Bhabha a piccolo angolo: e- e+e- e+e- q e- e+ Completamente dominato dallo scambio di un fotone in “canale t”: e+ e+ Z*, g (“canale s”) g e- q (deg) 45. 90. regione usata dai luminometri: 10-60 mrad efficienza (trigger, conoscenza dell’accettanza geometrica, selezione....) Luminosità integrata

  26. Misura della luminosità a LEP Esempio di luminometro: Small Angle Tile Caloremeter (“STIC”, DELPHI) Sampling Pb-scintillatore + wavelength shifting fibers Corso SM, Dottorato, XIII ciclo

  27. Misura della luminosità a LEP L’ incertezza teorica è legata al calcolo perturbativo di sQED (“completo” fino al 2o ordine in a) ed alla valutazione dell’ interferenza elettrodebole tra i diagrammi: canale t canale s e e Z0 e e s(s)/sQED(s) 1.004 dal confronto di diversi calcoli teorici e dei diversi gradi di approssimazione perturbativa (=> includendo/escludendo termini “leading-logs” in a3): pura QED calcolo al 1o ordine (BABAMC 1. 0.996 dsQED/ sQED 0.1 % 2o ordine 90. 92. 94. s Corso SM, Dottorato, XIII ciclo

  28. Misura dell’ energia dei fasci a LEP Tecnica della “depolarizzazione risonante” sfrutta la naturale polarizzazione trasversale dei fasci che si stabilisce negli anelli di accumulazione (“effetto Sokolov-Ternov”,Sov.Phys.Dokl.8 (1964) 1203) Valori tipici: - <PT>  10-20 % - tempo di polarizzazione tpol  300 min (ad E= 45 GeV) (=> processo lento) La frequenza di precessione dello spin per singola orbita, “spin tune” n, è legata all’ energia del fascio ed al momento magnetico anomalo dell’elettrone g-2 dalla relazione: (ad es. : n = 103.55 per Ebeam=45.64 GeV) Corso SM, Dottorato, XIII ciclo

  29. Misura dell’ energia dei fasci a LEP Depolarizzazione risonante: La polarizzazione viene distrutta da un campo radiale oscillante con la frequenza di precessione (=> induce una rotazione dello spin intorno all’ asse radiale che si somma coerentemente ad ogni orbita [ 104 volte al secondo, 2pRLEP=27 km, v=c] ) B  B LEP s e Corso SM, Dottorato, XIII ciclo

  30. Misura dell’ energia dei fasci a LEP La misura della polarizzazione [Phys.Lett. B270 (1991), 97] sfrutta la dipendenza dallo spin dell’ elettrone dello scattering Compton della luce polarizzata circolarmente: g angolo di diffusione dipendente dallo spin del fascio di e- q e- d 3mrad fotoni da un laser pulsato (polarizzati circolarmente) i fotoni diffusi vengono rivelati da un calorimetro di tungsteno ( 250 m dal punto di interazione) con strips di silicio Lo spostamento verticale rispetto al piano di LEP della distribuzione di fotoni rivelati dipende dal grado di polarizzazione; tipicamente ( P  10% ) => <Dy> = 400 mm -4. 0. 4. Dy(mm) Corso SM, Dottorato, XIII ciclo

  31. Misura dell’ energia dei fasci a LEP polarizzatore Phys.Lett. B270 (1991), 97 Interazione (scattering g-e) calorimetro Corso SM, Dottorato, XIII ciclo

  32. Misura dell’ energia dei fasci a LEP depolarizzazione polarizz.lineare polarizz.circolare depolarizzazione polarizzazione dei fotoni invertita Corso SM, Dottorato, XIII ciclo

  33. Misura dell’ energia dei fasci a LEP Al punto di interazione dello scattering Compton: DEsyst = 1.1 MeV (CERN-PPE /95-10) E’ necessario “trasportare” questa misura al punto di interazione degli esperimenti; l’ energia non è costante lungo la circonferenza di LEP: perdita di energia per radiazione : DEsync.rad. = 125 MeV/giro, rimpiazzata dalle cavità risonanti DEint.point 2 MeV Corso SM, Dottorato, XIII ciclo

  34. Energy calibrationby resonant depolarization Half-width of resonance: 150 MeV Corso SM, Dottorato, XIII ciclo

  35. Con la precisione ottenuta si è in grado di correlare l’ energia osservata alla deformazione di LEP prevista dalle “maree della crosta terrestre” (+ altri effetti: variazioni della pressione idrostatica del lago di Ginevra, TGV,...) Use of transverse polarization Small changes of energy accurately measured (energy change from 1mm circumference change) LEP energy affected by: Tides, water levels, train currents (TGV) Corso SM, Dottorato, XIII ciclo

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