La ricerca del bosone di Higgs al CERN di Ginevra con l’acceleratore LHC

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La ricerca del bosone di Higgs al CERN di Ginevra

con l’acceleratore LHC

Andrea Bizzeti

Universit`a di Modena e Reggio Emilia

Dipartimento di Scienze Fisiche, Informatiche e Matematiche

Physics Class, Modena 03-06-2013

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La materia nell’Universo: ordini di grandezza

10

⁷

m

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Una galassia

`

e 100.000.000.000.000 (10¹⁴) volte pi`u grande della Terra

contiene 1.000.000.000.000 (10¹²) stelle

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Nell’Universo ci sono 100.000.000.000 (10¹¹) galassie . . .

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. . . per un totale di 10.000.000.000.000.000.000.000 (10²²) stelle

7/6/11

Milky Way

Gigi Rolandi - CERN

Tutte composte daglistessi identici elementi di materia

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atomi nuclei protoni/neutroni quark + elettroni

Nell’Universo ci sono

100.000.000.000.000.000.000.000.000.000 000.000.000.000.000.000.000.000.000.000

000.000.000.000.000.000.000 (10

⁸⁰

) quark, tutti identici tra loro e che si sono formati

nei primissimi istanti di vita dell’Universo

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14 miliardi di anni

-

BIG BANG OGGI

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Al CERN di Ginevra studiamo le interazioni della materia nelle condizioni esistenti pochi attimi dopo il Big Bang

e che hanno determinato l’evoluzione dell’Universo nella forma che conosciamo oggi

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Il CERN

– Organizzazione Europea per la Ricerca Nucleare

I Fondato nel1954

I 20 Stati membri

I In Svizzera e in Francia, vicino alla citt`a di Ginevra

I Esperimenti conacceleratori erivelatori di particelle

I Luogo di nascita del

“World Wide Web”

I http://cern.ch/

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Large Hadron Collider (LHC)

Una enorme macchina costruita al CERN per fare scoperte nel campo della fisica delle particelle

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LHC pu` o mostrare il prossimo passo nella comprensione della materia

Filosofia Scienza classica Meccanica Quantistica

Empedocle 492–432 a.C.

4 elementi fondamentali

Mendeleev 19^◦ secolo

Tavola Periodica

∼ 100 elementi

Rutherford, Bohr 20^◦ secolo

3 particelle: elettrone, protone, neutrone

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La struttura elementare della materia oggi

≤

Protoni e Neutroni sono fatti diQUARK

che sono tenuti insieme da GLUONI

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Visione moderna dei costituenti della Natura

MATERIA FORZE

Interazioneforte.

Per rimuovere un protone da unnucleo occorrono 10 MeV

∼ 10.000.000

Interazioneelettromagnetica.

Per rimuovere un elettrone da unatomooccorrono 10 eV

∼ 10

Interazionedebole (fusione nucleare nel Sole

p + p →²H + e⁺+ νe)

E tutto qui ? `

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LHC ` e il prossimo passo in avanti

per studiare due questioni fondamentali:

• quali sono i veri costituenti fondamentali della materia

I Sono i quark e i leptoni davvero puntiformi?

I Esistono altre particelle elementari?

• quali sono le forze attraverso cui interagiscono

I Esistono altre forze “superforti” o “superdeboli”?

LHC ci permette di ricreare particelle fondamentali non piu viste da 10⁻¹²s dopo il Big Bang

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I misteri dell’Universo

I Come era l’Universo subito dopo il Big Bang?

I Qual `e la natura della “materia oscura” ? non si vede, ma influisce sul moto delle stelle

I Cosa `e successo all’anti-materia?

subito dopo il Big Bang ce ne era in abbondanza

I Ci sono altre dimensioni ?

LHC pu` o cercare le risposte anche a queste domande

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LHC missione n. 1: il mistero della massa

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Materia, massa ed energia

Newton: F = m a

I L’accelerazione di un corpo sottoposto all’azione di una determinata forza F `e inversamente proporzionale alla sua massa

I Equivalenza tra massa inerziale e gravitazionale

Einstein: E = m c

²

I La massa possiede energia

I Particelle senza massa viaggiano alla velocit`a della luce

I Particelle massive viaggiano pi`u lente

I La massa rende curvo lo spazio-tempo

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I misteri della massa

I La definizione di Newton della massa `e andata bene agli scienziati per pi`u di 200 anni

I La scienza ha descritto come si comporta la massa prima di capire il perch´e

I Questo perch´e`e oggi un attivissimo campo di ricerca

Capire l’origine della massa completer` a o estender` a il Modello Standard, che descrive tutte le particelle

elementari note e le loro interazioni

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Il Modello Standard

una descrizione semplice ed elegante della Natura

I Combinazione di Meccanica Quantistica e Relativit`a ristretta

I Una teoria quantistica deiCAMPI

I Ingredienti base sono iCAMPI, inclusi il campo elettrico ed il campo magnetico

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Un esempio: il campo elettrico

I

separa “azione” e “reazione”

I

si propaga alla velocit` a della luce

I

la sua energia ` e quantizzata → fotoni

I

i fotoni non interagiscono tra di loro

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La massa delle particelle

spazia su 11 ordini di grandezza: perch´ e?

M_protone

Masse in GeV/c² (' M_protone)

I Gli esperimenti hanno misurato le massedelle particelle elementari

I Non c’`e nessuna regolarit`a

I Ineutrinisono molto leggeri

I L’elettroneè 350.000 volte più leggero delquarkpiù pesante

I Il fotone`e privo di massa, ma ibosoni W e Z pesano circa quanto un atomo di argento!

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Un problema massiccio . . .

I Il Modello Standardnon `e in grado di prevedere i valori delle masse

I e, peggio ancora, nella teoria originale tutte le particelle non hanno massa!

I Un mondo con quark ed elettroni di massa nullasarebbe molto diverso da quello attuale:

• tutte le particelle si muoverebbero costantemente alla velocit`a della luce

• non ci sarebbero gli atomi, la tavola periodica, le stelle, la chimica, la biologia, non ci saremmo neppure noi!

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. . . risolto con un trucco

Bisogna aggiungere al Modello Standard un campo diverso da tutti gli altri.

Il campo diHiggs:

I scalare (senza spin)

I interagisce con se stesso

I nel vuoto `e diverso da zero!

Le particelleacquistano massa interagendo con il campo di Higgs:

più forte è l’interazione, maggiore è la massa.

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Un campo diverso da zero nel vuoto?

I Il vuoto `e lo stato di minima energia

(ogni particella possiede una energia positiva)

I Tutti i campi “normali” hanno energia minima se valgono zero

I Perch`e il campo di Higgs fa eccezione?

Rottura spontanea di una simmetria:

leggi fisiche simmetriche, ma stato di minima energia NO ! Esempi:

I tavola rotonda apparecchiata (tovagliolo a destra/sinistra)

I sbarretta cilindrica compressa

(rotazione intorno all’asse z) ⇒

I del campo magnetico in un

materiale ferromagnetico ⇒

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Il campo di Higgs: una congettura

All’inizio:

I L’Universo `e caldo e “simmetrico”

I il campo (medio) di Higgs nel vuoto vale zero

I Il fotone e i bosoni W e Z hanno massa nulla Poi:

I l’Universo si raffredda, avviene una “transizione di fase”, si rompe la simmetria . . .

. . . e il campo di Higgsnel vuoto non `e pi`u zero!

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Il campo di Higgs: riepilogo

I l’Universo `e completamente permeato dal campo di Higgs, che si trova ovunque e non pu`o essere schermato

I le particelleacquistano massa interagendo con questo campo

I più forte una particella interagisce con il campo di Higgs più la particella è massiva

I il fotone non interagisce → la sua massa `e nulla

I W e Z interagiscono molto → sono quindi molto massivi, circa quanto un atomo di argento

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Higgs o non Higgs?

Il campo di Higgs ` e solo un trucco matematico, o ` e la vera descrizione dell’origine della massa?

Possiamo scoprirlo!

Infatti, se il campo di Higgs esiste allora deve

esistere una particella nuova, il bosone di Higgs,

le cui interazioni con le altre particelle sono

univocamente previste dalla teoria.

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Per cercare il bosone di Higgs servono:

1. Acceleratore: una macchina potente per accelerare i protoni e farli scontrare

2. Rivelatori: giganteschi strumenti che registrano le particelle prodotte nella collisione tra protoni

3. Supercomputing: per raccogliere, conservare, distribuire e analizzare l’enorme quantit`a di dati prodotti dai rivelatori 4. Scienza collaborativa su scala mondiale: migliaia di scienziati

e ingegneri per progettare, costruire e operare queste macchine molto complesse

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Acceleratori di Particelle come LHC

Sono microscopi potentissimi e ci permettono di guardare pi`u a fondo nella Natura λ ∼ hc/E

×1 000 000 000 000 De Broglie

Possono produrre particelle di massa molto grande E = m c²

× 10 000 ^Einstein Ci permettono di studiare l’Uni-

verso quando era giovanissimo e caldissimo E = k T

0, 000 000 000 001 s 10¹⁷K

Boltzmann

Rivisitiamo i primissimi istanti dell’Universo per osservare particelle e fenomeni che oggi non avvengo pi`u

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Come ` e fatto un acceleratore?

Bombola di idrogeno

Campo elettrico

Campo magnetico

F = q~ ~E + ~v × ~B

Lorentz

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Il Large Hadron Collider

I I protoni sono accelerati da potenti campi elettrici fino a velocit`a prossime a quella della luce

I Sono guidati lungo le loro traiettorie da potentimagneti superconduttori

I Il loro campo magnetico raggiunge 8.3 Tesla (200 000 volte quello terrestre)

I I magneti lavorano a 1.9 K (−271^◦C ) in elio superfluido

I I protoni viaggiano in un tubo che `e a vuoto spinto e a temperatura pi`u bassa che lo spazio interplanetario

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Campo elettrico per accelerare i protoni

Cavit`a superconduttrici ad alta frequenza I protoni “cavalcano” le onde elettromagnetiche

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Campo magnetico per far curvare i protoni

I magneti superconduttori

mantengono i protoni su traiettorie circolari

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Il tunnel di LHC: 100 metri sotto terra, lungo 27 km

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I rivelatori di particelle

Apparecchi fotografici velocissimi . . .

. . . e molto sofisticati

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I rivelatori di particelle

Strati concentrici di “macchine forografiche”

per misurare la direzione e l’energia delle particelle prodotte nella collisione

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I rivelatori di particelle a LHC: 6 esperimenti

Ricerca del bosone di Higgs

ATLAS CMS

Collisioni tra nuclei: ALICE Materia e anti-materia: LHCb

ALICE LHCb

Misure “in avanti”:

LHCf e TOTEM

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(39)

CMS (in costruzione)

uomini

(40)

ATLAS

(L=46 m, H=25 m)

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ATLAS (in costruzione)

UOMO

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Enormi rivelatori di particelle pi` u precisi di un orologio svizzero

ATLAS !

Edificio di 5 piani! CMS !

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Fotografia di una collisione interessante

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Raccogliere e analizzare i dati

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Selezione, distribuzione e analisi dei dati

Rivelatore = 100 Megapixel

Prende 40 milioni di foto al secondo Prima selezione delle fotografie:

100 000 al secondo, ∼1 Mbyte ognuna Analizzate da una “farm” di computer con 50 000 CPU cores

Ogni secondo le migliori 200 − 300 fotografie sono registrate: ∼ 10 milioni di Gigabyte/anno (3 milioni di DVD) Distribuite in tutto il mondo

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Il traffico di dati

Il traffico di dati in un esperimento a LHC

(∼ 500 Gigabit/s)

`

e equivalente a tutto il traffico mondiale istantaneo di telefonia

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Una GRID per una collaborazione mondiale

Migliaia di scienziati, da centinaia di Universit`a e Laboratori in decine di Paesi collaborano a questi esperimenti LaGrid`e una infrastruttura che permette l’accesso trasparente

alla potenza di calcolo e ai dati distribuiti in tutto il mondo

Collega 100 000 computerin 34 paesi con linee di trasmissione dati ultraveloci

In un annomilioni di Gigabyte di dati viaggiano attorno al mondo

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Abbiamo ora tutto quello che serve:

• Acceleratore

• Rivelatori

• Supercomputing

• Scienziati

Peter Higgs visits CMS

per iniziare la caccia al bosone di Higgs

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Cosa sappiamo del bosone di Higgs?

I E prodotto molto raramente`

I Si disintegra immediatamente in altre particelle

I Dobbiamo fotografarle e misurarle tutte se vogliamo

“ricostruire” il bosone di Higgs

I In quali particelle decade dipende dalla sua massa

I Non sappiamo la massa. . . . . . e quindi dobbiamo cercare ovunque

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Cosa sappiamo del bosone di Higgs?

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0

114 158 175

LEP

Tevatron

Massa di Higgs ( Miliardi di eV) Intervallo di massa gia’ escluso:

Massa del bosone di Higgs (GeV/c²)

LHC `e progettato per cercare il bosone di Higgs a tutte le masse > 100 GeV/c²

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Eventi “candidati Higgs” fotografati a LHC

γ₁= 86 GeV

γ₂=56 GeV

H

⁰

→ γγ (?) H

⁰

→ 4µ (?)

Queste fotografie sono di eventi “candidati Higgs”, per`o potrebbero essere anche eventi standard che ci assomigliano.

Quando ne avremo raccolti un gran numero riconosceremo se tra loro ci sono iveri Higgs

perch`e questi hanno tutti lastessa massa.

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Nel 2012 LHC ha funzionato molto bene

1 May 1 Jun 1 Jul 1 Aug 1 Sep 1 Oct 1 Nov 1 Dec Date (UTC)

0 50 100 150 200 250 300 350

Integrated Luminosity (pb¡1/day)

Data included from 2012-04-04 22:37 to 2012-12-16 20:49 UTC LHC Delivered, max: 285.8 pb^¡1/day CMS Recorded, max: 279.9 pb^¡1/day

0 50 100 150 200 250 300 350 CMS Integrated Luminosity Per Day, pp, 2012, ^ps = 8 TeV

Luminosit`a integrata giornalieraCMS (∝ collisioni pp al giorno)

2011

2012

Month in Year

Jan Apr Jul Oct

]-1Delivered Luminosity [fb

0 5 10 15 20 25 30 35

= 7 TeV s 2010 pp

= 7 TeV s 2011 pp

= 8 TeV s 2012 pp ATLAS Online Luminosity

DICEMBRE 23 GIUGNO

7 5

← Luminosit`a integratatotaleATLAS aggiornata a DICEMBRE 2012

–

²⁰¹²^{(7 fb}⁻¹a giugno; 23 fb⁻¹totale)

–

²⁰¹¹^{(5 fb}⁻¹^totale)

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Come abbiamo visto il bosone di Higgs?

Risultati dell’estate 2012

+ aggiornamenti marzo 2013

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Come abbiamo visto il bosone di Higgs? Eventi a 4 leptoni

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Come abbiamo visto il bosone di Higgs? Eventi a 4 leptoni Event display of a clean Higgs candidate

S.Bolognesi on behalf CMS 5 CERN Council meeting – December 2012

e

µ µ

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Eventi a 4 leptoni: picco in massa e analisi angolare

primi segnali (luglio 2012)

[GeV]

m4l

Events / 3 GeV

0 2 4 6 8 10 12

[GeV]

m4l

Events / 3 GeV

0 2 4 6 8 10

12 _Data

Z+X

*,ZZ Z

=126 GeV mH

µ , 2e2 µ 7 TeV 4e, 4 µ , 2e2 µ 8 TeV 4e, 4 CMS Preliminary s = 7 TeV, L = 5.05 fb^-1 ; s = 8 TeV, L = 5.26 fb^-1

[GeV]

m4l

80 100 120 140 160 180

⇒

MELA > 0.5

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Eventi a 4 leptoni: picco in massa e analisi angolare

CMS, aggiornamentomarzo 2013

(GeV)

4l

m 100 110 120 130 140 150 160 170 180

DK

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

0.2 0.4 0.6 0.8 4e 1

µ 4

µ 2e2

CMS preliminary s = 7 TeV, L = 5.1 fb^-1 s = 8 TeV, L = 19.6 fb^-1

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Come abbiamo visto il bosone di Higgs? Eventi a 2 fotoni Event display of Higgs ^→ 2 photons candidate

S.Bolognesi on behalf CMS 8 CERN Council meeting – December 2012

γ γ

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Eventi a 2 fotoni: massa invariante

(Atlas, aggiornamentomarzo 2013)

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Eventi a 2 fotoni: analisi statistica

^(aggiorn. marzo 2013)

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A che punto siamo

I Gli esperimenti ATLAS e CMS hanno scoperto unanuova particella con massa M = 125 GeV/c² (risultati luglio 2012)

I aggiornamentomarzo 2013 alla conferenza Moriond-EW, La Thuile, 06-03-2013 ( http://moriond.in2p3.fr/ )

I Le caratteristiche finora misurate coincidono con

quelle del bosone di Higgsprevisto dal Modello Standard.

Questa scoperta `e solo un primo passo:

il grosso del lavoro comincia adesso!

I analizzare tutte le “fotografie” raccolte

I misure accurate dellecaratteristiche di questa particella

I misura dell’interazionecon le altre particelle

I confronto con le previsioni del Modello Standard

I ricerca di altre nuove particelle (non previste dal M.S.)

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Futuro prossimo e remoto

I LHC ha proseguito la raccolta dati fino a febbraio 2013 (collisioni protone-protone fino a dicembre 2012), per raddoppiare le fotografie di eventi “candidati Higgs”

I Adesso star`a fermo un anno e mezzo per una grossa manutenzione, per raddoppiare l’energiadelle collisioni

I Questa macchina più potente raccoglierà dati per i prossimi 15-20 anni, scattandocentinaia di volte più fotografie: una enorme quantità di dati da analizzare per capire di più su come siamo fatti e sui primissimi istanti dell’Universo