LHC, ilpotenzialedi scopertae CMS

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LHC, il pote nziale di scoperta e CMS

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LHC is the most power ful instrume nt for particle inve stigatio n with acceler ators. It is expe cted to pro vide some answ ers on t he EW sector and, possib ly, new chal leng es

CMS is an extreme ly sophisticated detector . The local CMS group is involved since 1995 in the proje ct and actively particip ate t o construction and now in data anal ysis

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Actual ly ou r knowle dg e, ba sed on th e i nte rpret ati on of na tura l ph en ome na , is the Stan da rd Mo de l - a re lat ivistic q ua ntu m fie ld the ory The sy mme try prin ciple is th e local ga ug e i nvaria nce, where the ge ne rat ors are de scr ib ed by a n SU(3) xSU (2) xU (1) al ge bra ; from a p he no men olo gical po int of view th e mod el is compo sed of 3 ele men ts: 1) 3 ferm ion ge ne rati on s (qu arks an d l ep ton s) ++ h ug e ma ss in te rval 1 0

-> 10

GeV ++ CP viola ted in tra nsitio ns am on g qu arks of dif fere nt ge ne rati on s

2) Vector bo sons , respon sible for the in tera ction s

3) Higg s me chan ism (which pro vide ma ss to ferm ion s a nd bo sons) expe cted withi n a ma ss ran ge [90 , 1 00 0] GeV

T he mo de l is a ble to well de sc ribe (very well) ma in pa rt of known ph en ome na

Standar d Model - pre 201 2

A key elem ent, a “Higgs -like” particle discov ered in 2012 by LHC

Experime ntally: neutrin o mass, the dark matt er, the bari onic asymmetry cannot be taken into account consid erin g the Standard Model

Gravity is formall y excluded

The hiera rchy probl em

... the standa rd model seems not complete, new t heore tical struct ures needed. Experimentally accessible at t he TeV scale

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Standar d Model ?

How can we access to the ~ TeV scale with enough lum ino sity to see the Hig gs ?

The idea is to build a hadronic collid er using the old e

e

infra structur e (LEP) at CERN Why hadr onic ? Is simple r and less expen sive than an e

e

at the sam e C .o .M .energy

... but the final state is more comple x.

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We set -up a Large Hadron Coll ider (LHC ), a pro ton -proton coll ider with several TeV avail able in the colli sions

We need to und erstand how t he interactio n works to properly identify any new signal

protoneprotone Main Interaction

Radiation (ISR/FSR)JetFragmentation/Hadronization

Mutiple Interactions (MPI)

Beam Remnant

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Structure of the p -p inter actio n

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Higg s Produ ction rates

g- g fusion

vector bosons f usion

W/Z strahlung

associate production

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Deca y rates

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Our “Master ” equa tion - How detect signal s?

The goal is t o test SM (in)consi stency For each process expected at LHC:

Dobbiamo essere sensibili il piu’ possibile ai processi di fisica che possono realizzarsi

+ tanta energia: necessaria per produrre particelle massive (es: il bosone di Higgs)Altri collisionatori (es e-e) non sarebbero stati altrettanto convenienti energeticamente

+ alta intensita’:Spesso i processi che si vorrebbero osservare sono molto rari (es: 10 ordini di grandezza)

Il collisi ona tore

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Il collisi ona tore

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CERN

LHC è costruito alCERN, sfruttandolavecchiainfrastrutturadel LEPUn anellodi 27km di diametroin media 80 m sotto terra

Il sistemadi iniezionesonoi“vecchi” acceleratoripSe SPS (W,Z)

4 esperimenti:

+ ATLAS+ CMSesperimenti“generali”, disegnatiper assicurareilmaggiorpotenzialedi scopertapossibile

+ LHCbottimizzatoper la fisicadeiB+ ALICEottimizzatoper le collisionitraionipesanti 18

LHC

L’energia dei protoni e’ limitata dal campo magnetico che mantiene i protoni in una traiettoria circolareBeam energy momentum: p = 0.3×B×r p = momentum [GeV], B = magnetic field [Tesla], r = radius [metres]

Dal momento che il raggio e’ fissato, l’unico modo perincrementare l’energia e’ aumentare B

Rendere il campo magnetico il piu’ omogeneo possibile ~ 2/3 dell’anello hanno dipoli magnetici

Altri magneti per il focussingSono necessarie sezioni rettilinee per posizionare gliesperimentiUn po’ di spazio se lo prendono i sistemi di iniezione ed espulsione

Energ ia

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Magnetisuperconduttori

Raffreddatia1.9 K con eliosuperfluido

B > 8 Tesla

Magneti“doppi” rispettoa Tevatronperche’ LHC e’ p-p e non p-anti_p

Nota: siusanofascip-p (e non p-anti_p) perche’ non sarebbeconvenientedate le luminosita’ chesiintendonoraggiungere

I magneti di LHC

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Energianelcentrodi massa√s = 14 TeVper collisioniprotone-protone√s = 6 TeVper collisioniPb-Pb

Luminosita’L = 10 34cm -2s -1per collisioniprotone-protoneL = 10 27cm -2s -1per Pb-Pb

Il rate di eventi attesi

I protoni circolano in “bunches” (cioe’ in pacchetti)La spaziatura temporale e’ di 25 ns (i.e. 7.5 metri) Il rate di Bunch-crossing e’ 40 MHz

Se consideriamo la sezione d’urto totale p-p ~ 100 mbIl rate di eventi a L = 10 34cm -2s -1e’ R ~ 10 9Hz

Se poi consideriamo che ci sono circa ~ 25 interazioni pp separate per ogni bunch-crossing vi renderete conto della difficolta’ di separare un evento interessante dal fondo di eventi prodotti21

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LHC - 2012

From April 20128 TeVenergy -stable running with increasing luminosity

~25 fb -1collected (Linstup to 10 32)

LHC - 2015

From July 2015 13TeVenergy -stable runningwith increasing luminosity

~4fb -1collected (Linstup to 10 33)

Now LHC restarted, the first stable beam last May 7th

Pa rticul ar case: each Z decays in μ μ

The idea is:

+ select all the events with: at least 4 μ (+-,+-) in thefinal state+ apply invariant mass condition best pairing:m_inv(i, j)=m_inv(k, l) = mZ+ at this point:m_inv(i, j, k, l) = mHwhat is the background ? any other process with 4 muonsin the final state24

How to “see” the Hig gs ?

with a detector

past presen t

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How to “see” the Hig gs ?

Il rivelatoredeveesserein gradodi:

+ altaefficienzadi rilevazione(es: 1 traccia“interessante” su1000 -> devoesserein gradodi ricostruirletutte)

+ altarisoluzionespaziale(quale dellen interazionivicinee’ quellagiusta? Devoricostruirenverticiprimarie secondariallevolte distantipochedecinedi micron traloro)

+ altavelocita’ di risposta(40MHze’ la frequenzadi interazionedeibunches ad LHC)

+ inoltrela parte piu’ internadeveesserein gradodi resistereal danneggiamentoda radiazione

LHC d etta le con dizio ni ai detector s

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Il rivelator e CMS

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Il ruolo dei sottorivela tori

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Un unico solenoide usato sia per i detector interni sia per le camere a μ (usando il campo di ritorno)Campo intenso (4 Tesla) nel volume internoGrande raggio (~ 3 m)

I calorimetri sono dentro il magnete!Meno materiale di fronte al calorimetro EM, quindi una risoluzione piu’ alta nella determinazionedell’energia di fotoni ed elettroni

Il ferro che contiene il campo di ritorno esterno del solenoide e’ equipaggiato con le camere a μPesa 14,500 tonnellateTutto questo ferro limita la precisione nella ricostruzione dell’impulso (se ci si basa solo sulla misura esterna!)

Il magn ete

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L’impulso di una particella carica e’determinato dal raggio di curvatura nel campo magneticop = 0.3 x B x r

La risoluzione della misura d’impulso e’ determinata dalla precisione nellaricostruzione della traiettoria (es:numero di punti con cui si ricostruisce, risoluzione spaziale delpunto)

Il tracciatore

30 Per basso impulso e’ fondamentale che i rivelatori siano leggeri

-> meno materiale meno multiple scattering

Il tracciato re

Barrel:4 layer interni 6 esterni

Endcap:3 dischi interni9 dischi esterni Pixel:3 layers2 dischi

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Mi sura de ll’i mp uls o

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M isur a de ll’i mp uls o

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Energ y loss

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Silicon Detector s

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Com e ottener e un segn ale

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Com e ottener e un segn ale

Due silici drogati diversamente vengonouniti per creare un’interfaccia detta giunzione p-n. Se polarizzata inversamente si crea in prossimità della giunzione una regione di svuotamento che minimizza lecorrenti di fondo. Il passaggio di una particella carica deposita energia creando coppie elettrone-lacuna.Il campo elettrico fa si che gli elettroni derivino verso la regione n e le lacune versola p.

Ogni unità fornisce informazioni bidimensionali e la disposizione su più stratipermette di definire una regione di segnale in 3D

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The Tracker

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The Tracker

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Il tracciato re - pre stazion i

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Calo rim etria

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Calo rim etria

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e/fotoni - inter azio ni

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bre msstrah lun g

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ion izzazio ne/br emsstra hlu ng

fotoni

In order to be detected, photon must transfer their energy to c harged particles:

Pho to ele ctric eff ect:

Comp ton sc att erin g:

Pai r pro du ction :

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gra nd total

sciam i ele ttroma gne tici

L’energiadell’elettroneo fotoneincidentevienemisurataper assorbimentototale(unafrazionedell’energiavieneconvertitain luceo carica)

Uno sciamedi e eγ sisviluppaa causadell’interazionecon ilmezzo assorbente:

+per energiasopra~1 GeVproduzionedicoppiee bremsstrahlung sonoiprocessidominanti(finoa E>Ec, dopoionizzazione)

+ la scaladellalunghezzadellosciamee’determinatadallalunghezzadi radiazioneX0(la lunghezzasopracui un elettroneriducelasuaenergiadi 1/e del suovaloreiniziale; dipendeda 1/Z del mezzo (1.76 cm per Fe, 0.56 Pb))

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sciam i adr oni ci

Gli sciami adronici si sviluppano tramite interazione forte con i nuclei

+ molti π 0: parte dell’energia sviluppa sciami elettromagnetici, si misura solo questa componente (alta fluttuazione -> risoluzione energetica povera)

+ gran parte dell’energia e’ usata per eccitare (o rompere) i nuclei, solo una frazione e’ EM

+ lo sciame e’ definito dalla lunghezza di assorbimento λ, in generale e’ piu’ largo e profondo di quello elettromagnetico: λ~17 cm sia nel Pb che nel Fe

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sciam i adr oni ci

Tipicamenteilrapportotracomponenteemedadronicae’: Profondita’ massimadellosciame(e 95% assorbimento):

con sviluppolaterale:

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𝑒 ℎ ≈ 1 .1 − 1 .35 𝑅

≈ λ l

≈ (0.6lnE[GeV ] – 0.2) λ l

(cm) ≈ l

+ 4E

λ con a = 0.15

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lay ou t e re ad ou t I calo rime tri si divid on o prin cipal me nte in omogenei e a camp ion am en to

Omo ge ne i: sono fat ti d i u n m ate rial e che è a llo s tesso tem po pe sante e att ivo: lo stess o ma teri ale in du ce gli s ciami e n e m isura l'en erg ia. P iù pre cisi ma p iù volu mi no si (e pe sant i), costosi e fra gi li, dif ficilm en te segm en tab ili

Camp ion am en to : al te rna no un m at eri al e pa ssiv o, che si occup a di fe rma re ele ttro ni e f oto ni e d i in du rre gli s ciami , e u n ma teri ale at tivo che ne mi sura un a f razion e d'e ne rgia . M eno pre cisi ma an che me no costosi, comp att i, rob usti, pe rme tto no un a segm en ta zion e estre ma me nt e fin e

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ris olu zio ne en er ge tica

il calo rim etro EM di CMS

Cristalli di PbWO4

+ omogeneo, tutta l’energia delle particelle e’depositata nel mezzo

+ l’energia e’ convertita principalmente in luce, convertita in segnali elettrici da fotodiodi e fototriodi

+ alta risoluzione energetica

+ intrinsecamente tracciante per l’alta granularita’ a = 2.7%, fluttuazioninellosviluppodellosciameb = 0.55%, sistematicheda calibrazionec ~ 0.2 GeV, sistematichestrumentali

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E’ un calorimetro a campionamento, il mezzo assorbente e’ ilrame a cui sono interposti dei piatti di materiale plastico scintillante attivo

il calo rim etro adr oni co di CM S

La misuraadronicae’ piu’ complessadi quellaelettromagnetica. La risoluzioneenergeticaintrinsecanon e’ molto alta, ma la capacita’ di integrarela misuracon altrisottorilevatoripuo’ miglioraredi molto la risoluzione

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le cam ere a μ di CMS

Le zone “attive” sono frapposte al ferro che funge da ritorno per il campo magnetico Perche’ 3 tipi di camere ?

DT (zona centrale) + alta risoluzione spaziale-lenta-meno resistente alle radiazioni

CSC+ buona risoluzione spaziale-lenta+ alta resistenza alle radiazioni

RPC (in combinazione -TRIGGER)+ scarsa risoluzione spaziale+ molto veloce+ buona resistenza alle radiazioni57

le cam ere a μ - pre stazion i

La bassarisoluzionein impulsodel muone, intrinsecamentebassaper le camerea mu da sole (a causadellagrandequantita’ di ferro) vienecompensatadall’usocombinatocon ilsistematraccianteinterno

solo camerea μ58 camerea μ+ tracciatore

Con un rilevatore come CMS, siamo in grado di misurare quasi tutto quello cheviene prodotto dall’interazione centrale

+ particelle cariche (tracciatore)+ elettroni/fotoni (calorimetro EM)+ adroni neutri e carichi (calorimetro adronico)+ muoni (camere μ)+ energia mancante (calorimetria)

Tutte quantita’ connesse allo stato finale di una reazione

Riassu men do

Jet:Calorimteri,tracciatore Particella singolaTracciatore, camere μ,Calorimetro EM

Energia mancante:Calorimteri

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Rappo rtiamo tutto alla ricerca dell’H iggs

Dipendentemente dalla massa

1) mH> ~2mW, le modalita’ didecadimento dominante sono H -> WW o H -> ZZ

ZZ in particolare offre una chiara segnatura sperimentale nello stato finale (leptoni)

2) mHe’ piu’ bassai rate di decadimento maggiori si hanno per bb, τ +τ -, cc e ggMolto difficile da vedere a causa dell’enorme fondo continuo

In questo caso e’ preferibile cercare l’Higgs come H -> γγ (almeno fino a 130 GeV)

tra cciato re/ calo rim et ri came re a μ/tra cciato re

calo rim et ro EM/ tra cciato re

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2010 - i pri mi sospetti...

2012

201 2/13 - Higg s - La scop erta

if we want renormalization: and if we extend up to QG (10 19GeV), requiring the Higgs mass < 1 TeV:

a fine tune of the order of 10 -34: unnatural (Hierarchyproblem) radiative correction to the Higgs mass are unstable (Λ 2):

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The SM Higgs wil l make me happ y ?

In analogy to Lorentz invariance to the classical dynamics -> positron (Dirac) We’re looking for new phenomena at the TeV scale: introducing additional terms to the Higgs self-energy in order to cancel the quadratic growth in a natural way

The idea is to introduce a super-partner to each Standard Model particle (a Supersymmetric Model)

[additional alternative models are based onExtra-Dimensions, Technicolor, Little Higgs...]

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so wha t ?

Is there somethi ng new ? Waiting for Run 2 data

Stay tuned!