Fisica delle Alte Energie Cosa ?

Fisica delle Alte Energie Cosa ?

• Studio dei costituenti fondamentali e dell’Hamiltoniana che li governa:

quarks, gluoni, …, Higgs, … H(qi,pi)

• Lo scopo e` quello di risalire ai principi primi

Come ?

• Produzione con collisioni ad alta energia: e⁺+e^-, p+p,

e^-+p, ⁺+^-, …

• Produzione non specifica: si possono casualmente

produrre le particelle da studiare, ma particelle non interessanti si producono in genere con probabilita`

assai maggiore

?

?

p p

L’evento !

Ingegneria Fisica

Complicazione

• Le particelle sotto studio (di solito) non

interagiscono direttamente con i rivelatori

J. J. Thomson

• Si tratta di una situazione nuova rispetto alle

scoperte

dell’elettrone, del muone, ecc.

Studio indiretto

• Misurando i prodotti finali (per esempio di decadimento) che interagiscono con i

rivelatori, si deducono le proprieta` dei genitori

p p

Rivelatore e  en kp 

Particelle non specifiche:

le medesime particelle possono derivare da quelle sotto studio o da altre non interessanti

• Si parla quindi di eventi di segnale (buoni) e di eventi di fondo (cattivi)

• Ulteriore fondo e` generato dalla

sovrapposizione di eventi o di frazioni di eventi non interessanti (specie ai collider adronici pp e pp)

Segnale vs. Fondo

_

p p

Event & Underlying event

Eventi rari

10^-2

Eventi/s per L = 1034 cm-2 s-1

10⁸ 10⁶ 10⁴ 10² 10⁰ 10^-2 10^-4 10^-6 S^1/2 (TeV)

0.1 1 10

 (nb)

Prima conclusione

• Puo` essere peggio che cercare un ago in un pagliaio !

A LHC (Large Hadron Collider: pp a 14 TeV)

H(120 GeV) →  con frequenza 10^-13 del totale

• La ricerca deve essere fortemente guidata dalla teoria

• La teoria deve caratterizzare al meglio gli

eventi per distinguere quelli interessanti dal fondo

Rivelatore

• Per distinguere il segnale dal fondo, il rivelatore deve caratterizzare il piu`

possibile ciascun evento identificando le

particelle e misurando quante piu` grandezze possibili con la massima precisione possibile.

• Identificazione: elettroni, muoni, fotoni, adroni, ecc. ecc.

• Misura: impulsi, energie, angoli, traiettorie

• Limite: il costo

Statistica

• Produzione casuale di eventi rari → moltiplicare le collisioni

• Fasci di particelle densi

• Frequenza di interazione alta (LHC 40 MHz)

• Quantita` di dati generati enorme ^{(40 TB/s)}

• Impossibile registrare su nastro/disco tutti gli eventi (oltre che assurdo)

• Selezione on-line degli eventi

RECORDING

DETECTOR

TRIGGER

& DAQ 40 TB/s

1/10⁹ interazioni

2 “Divine Commedie”

ogni 25 nsec

1 vincita/s Super Enalotto

Nel mezzo del cammin di nostra vita

mi ritrovai per una selva oscura ché la diritta via era smarrita Nel mezzo del cammin di nostra vita

mi ritrovai per una selva oscura ché la diritta via era smarrita

Problema formidabile:

- Data Handling - Data Reduction

es. trigger: 10⁷  1 bit (si/no)

Trigger/DAQ:

-Ruolo analogo al detector -Ideati con l’esperimento

determinano la fisica accessibile

Conoscenze:

-Elettronica analogica/digitale -Architetture complesse

-Aggiornamento tecnologico

B-tagging

• Una caratterizzazione efficace degli eventi:

vertice (secondario) di decadimento a meno di

~1 cm dal vertice (primario) di interazione:

molti eventi interessanti contengono mesoni con quark b che decadono “tardi”, pochi

eventi di fondo presentano vertici secondari

• I rivelatori di traiettorie (trackers) hanno la

risoluzione sufficiente

p ₂₀⁰ p

B m

-Simulazione CMS:

traiettorie particelle cariche

-30 collisioni sovrapposte per ogni incrocio dei

fasci pp

-campo magnetico assiale 25 ns e` il tempo che

intercorre tra due incroci dei fasci pp

H Z→ ⁰Z⁰ 4→ 

p p

Dov’e` il bosone di Higgs ?

Avete 25 ns di tempo per trovarlo !

-Simulazione CMS:

traiettorie particelle cariche

-30 collisioni sovrapposte per ogni incrocio dei

fasci pp

-campo magnetico assiale 25 ns e` il tempo che

intercorre tra due incroci dei fasci pp

H Z→ ⁰Z⁰ 4→ 

p p

Traiettorie con P > 2 GeV

Il rivelatore

Elementi principali:

• Magnete

• Tracciatore

• Calorimetri elettromagnetico e adronico

• Rivelatori di muoni

Tracciatori

Calorimetri

←Rivelatori  Solenoide

Tubo dei fasci

Multi-level Trigger

• Evita di sovraccaricare il sistema che esegue analisi piu` lunghe e sofisticate con eventi che possono essere scartati facilmente:

come il servizio sanitario !

Tempo/evento

Numero di eventi processati (p.e. in un secondo)

Level 1 Level 2

Level 3

Data logger