masterclass 2011 l’esercizio z ad atlas lecce, 22 marzo 2011
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Masterclass 2011Masterclass 2011L’esercizio Z ad L’esercizio Z ad
ATLASATLAS
Lecce,22 marzo 2011
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Siamo alla vigilia di un’era avvincente con nuove grandi scoperte previste per la Fisica delle Particelle Elementari!
L’esperimento ATLAS ha raccolto nel 2010 dati a un’energia nel centro di massa di 7 TeV. Oggi vedremo come ATLAS si comporta coi dati relativi alla produzione di una particella nota nel Modello Standard: il bosone Z
LHC e la Nuova FisicaLHC e la Nuova Fisica
Al CERN di Ginevra, l’acceleratore LHC e i suoi grandi esperimenti stanno lavorando a questo scopo.
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LHC è un acceleratore (collider) di protoni al CERN.
È circolare, con diametro di 27 km. Si trova a ~100 m sotto il suolo al confine tra Francia e
Svizzera
LHC e la Nuova FisicaLHC e la Nuova Fisica
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Rivelatori di particelle per Rivelatori di particelle per esperimenti ai collideresperimenti ai collider
Obiettivo: ricostruire le caratteristiche dello stato finale
Dispositivi che producono un segnale ossevabile quando vengono colpiti da una particella, per effetto delle interazioni della particella con gli atomi o le molecole del mezzo attraversato.Segnale osservato:carica di ionizzazione, luce, raggi X etc. Segnali indotti ~sempre convertiti in segnali elettrici digitalizzati I rivelatori:
•Identificano la natura (massa/carica) delle particelle.
•Misurano il momento delle particelle cariche (traiettorie in campo magnetico).
•Misurano l’energia delle particelle neutre.
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Tipica composizione di un apparato
Cilindri concentrici che si sviluppano attorno all’asse dei fasci.
Dall’interno all’esterno:
Tracciamento
Calorimetro electtomagnetico
Calorimetro adronico
Magneti*
Camere per i muoni
*Posizione e forma dei magneti dipendono dall’esperimento.
Esperimenti ai colliderEsperimenti ai collider
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L’apparato di ATLASL’apparato di ATLAS
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Animazione swf (sul web)
L’apparato di ATLASL’apparato di ATLAS
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L’apparato di ATLAS (Just for fun )L’apparato di ATLAS (Just for fun )
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L’apparato di ATLAS (Just for fun )L’apparato di ATLAS (Just for fun )
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L’apparato di ATLAS (Just for fun )L’apparato di ATLAS (Just for fun )
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L’apparato di ATLAS (Just for fun )L’apparato di ATLAS (Just for fun )
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L’apparato di ATLAS (Just for fun )L’apparato di ATLAS (Just for fun )
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I fasci di particelle hanno un’energia di 3.5 TeV:2 x 3.5 TeV = 7 TeV
Le singole costituenti dei protoni (i quarks) hanno con sé solo una frazione di tale energia. Nella collisione si possono produrre nuove particelle la cui massa è sempre minore dell’energia totale disponibile
Interazioni dei protoniInterazioni dei protoni
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Le collisioni creano nuove particelle che decadono immediatamente. Le particelle che decadono producono sempre particelle più leggere.
I decadimenti delle particelle obbediscono a definite leggi di conservazione (Energia, Momento, Carica, etc…)
Decadimenti di particelleDecadimenti di particelle
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Le collisioni dei fasci di protoni generano una grande quantità di particelle, è opportuno imparare a distinguere le particelle più interessanti da quelle meno interessanti, in un ambiente densamente popolato di particelle.
Decadimenti di particelleDecadimenti di particelle
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Noi,oggi, stiamo cercando il bosone Z, una particella neutra (cioè senza carica) che può decadere in due muoni oppure in due elettroni.*
Decadimenti di particelleDecadimenti di particelle
* La Z ha anche altri decadimenti . . . ma per oggi non ci interessano
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Decadimento dello Z Decadimento dello Z
Ogni singola particella Z deve decadere, ma è impossibile sapere in anticipo in quale tipo di particelle decadrà.
Tutto ciò che si può dire è che ha una certa probabilità di decadere in un certo tipo di particelle e le frequenze dei diversi tipi di decadimento possono essere calcolate teoricamente nel Modello Standard
Una particella Z può decadere in: due elettroni (Z0→ e+ + e- ) due muoni (Z0→ + + -) due particelle tau (Z0→ + + - ) due neutrini (Z0→ + e due quark (Z0→ q + q ) (q=u,d,c,s,b ma non t che è troppo
pesante)
~3,3 %
~3,3 %
~3,3 %
~20 %~70 %
~10 %
INVISIBILE!
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Per identificare bene i decadimenti dello Z di cui siamo interessati ricordiamo bene come sono fatti!!!
Decadimento dello ZDecadimento dello Z
e+
e-
Z
µ-
µ+
Z
* La Z ha anche altri decadimenti . . . ma per oggi non ci interessano
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E’ importante non confondere i decadimenti del bosene Z con altri decadimenti tipo quelli del bosone W+/- !!!
Altri decadimentiAltri decadimenti
W
ν νW
eeW)(
)()(
)(
)()(
W
e
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Siamo interessati, quindi ad eventi con coppie muone-antimuone (“dimuone”) o elettrone-positrone (“dielettrone”), con alto momento trasverso pt
Decadimento dello ZDecadimento dello Z
Sarà necessario fare dei “tagli” per eliminare le tracce con energia troppo bassa se vogliamo trovare le particelle che ci interessano.
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Il Display di un evento in Il Display di un evento in ATLASATLAS
Vista trasversa
Vista longitudinale
Depositi di energia nel calorimetro elettromagnetico
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L’event display HYPATIAL’event display HYPATIA
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Per esempio, se tagliamo tutte le tracce con energia (o momento) minore di 5 GeV, allora il l’evento diventa più chiaro.
Tagli di cinematica per Tagli di cinematica per ripulire un eventoripulire un evento
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Analisi di eventi in ATLASAnalisi di eventi in ATLAS
Cosa Vedete?
Alcun segno di Elettrone o Muone?
Energia mancante?
Che tipo di evento potrebbe essere?
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Analisi di eventi in ATLASAnalisi di eventi in ATLAS
Cosa Vedete?
Alcun segno di Elettrone o Muone?
Energia mancante?
Che tipo di evento potrebbe essere?
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Analisi di eventi in ATLASAnalisi di eventi in ATLAS
Cosa Vedete?
Alcun segno di Elettrone o Muone?
Energia mancante?
Che tipo di evento potrebbe essere?
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Analisi di eventi in ATLASAnalisi di eventi in ATLAS
Cosa Vedete?
Alcun segno di Elettrone o Muone?
Energia mancante?
Che tipo di evento potrebbe essere?
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Analisi di eventi in ATLASAnalisi di eventi in ATLAS
Cosa Vedete?
Alcun segno di Elettrone o Muone?
Energia mancante?
Che tipo di evento potrebbe essere?
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Analisi di eventi in ATLASAnalisi di eventi in ATLAS
Cosa Vedete?
Alcun segno di Elettrone o Muone?
Energia mancante?
Che tipo di evento potrebbe essere?
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La massa invariante del La massa invariante del Bosone ZBosone Z
Come facciamo a distinguere eventi con le stesse particelle nelle stato finale, ma genereti da particelle diverse? Per esempio:
eeZ oppure Z
da eeZ ' 'ZLe masse dei bosoni Z e Z’ sono differenti!!! E’ necessario misurare la massa delle particelle attraverso l’impulso ed il momento delle particelle prodotte nel decadimento
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La massa del bosone Z con La massa del bosone Z con ATLASATLAS
La massa invariante non assume un singolo valore!
La larghezza di questa distribuzione dipende da due fattori La larghezza
intrinseca della particella (tanto maggiore tanto è breve la vita media)
La risoluzione del rivelatore nella misura delle particelle finali
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Calcolo della massa Calcolo della massa invariante con Hypatiainvariante con Hypatia
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Calcolo della massa Calcolo della massa invariante con Hypatiainvariante con Hypatia
![Page 34: Masterclass 2011 L’esercizio Z ad ATLAS Lecce, 22 marzo 2011](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081602/5542eb76497959361e8df5e4/html5/thumbnails/34.jpg)
Inseriamo ogni valore della “massa” in un istogramma.
Si nota un picco, dove? È abbastanza ben definito?
Qual è l’ampiezza?
Si notano valori anomali?
La “massa” è misurabile con quale precisione?
Sugli istogrammi (1)Sugli istogrammi (1)
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“Science is nothing but developed perception, interpreted intent, common sense rounded out and minutely articulated.” George Santayana
Le osservazioni indirette, l’immaginazione e il pensiero logico e critico, opportunamente combinati, conducono alle conclusioni giuste.
Pertanto: lavorate insieme, pensate (quando serve anche fuori dal coro), e siate critici su qualsiasi risultato abbiate davanti per capire cosa sta avvenendo davvero.
Qualcosa da ricordare…Qualcosa da ricordare…
![Page 36: Masterclass 2011 L’esercizio Z ad ATLAS Lecce, 22 marzo 2011](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081602/5542eb76497959361e8df5e4/html5/thumbnails/36.jpg)
Fate pratica con eventi di esempio. Chiedete aiuto a noi se avete dubbi. Trovate candidati di decadimenti di Z (e altro!) Annotate nel foglio di calcolo le masse calcolate con Hypatia. Al termine metteremo assieme i valori in un istogramma e lo comunicheremo al CERN. Buon lavoro e buon divertimento!
Ed ora analizziamo gli eventi!Ed ora analizziamo gli eventi!
![Page 37: Masterclass 2011 L’esercizio Z ad ATLAS Lecce, 22 marzo 2011](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081602/5542eb76497959361e8df5e4/html5/thumbnails/37.jpg)
![Page 38: Masterclass 2011 L’esercizio Z ad ATLAS Lecce, 22 marzo 2011](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081602/5542eb76497959361e8df5e4/html5/thumbnails/38.jpg)
Principi di conservazionePrincipi di conservazione
Energia di una particella a riposo
Energia di una particella in movimento
Energia e momento sono conservatiEnergia , , 21 EEEEEE afterafterbefore
momento vettore ,21
pppp
pp
after
afterbefore
20cmE
22420 cpcmE
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Formula teorica della massa del bosone Z o massa invariante
Dopo un pò di ginnastica ed applicando i principi di conservazione arriviamo alla formula della massa della Z
Nella formula compaiono le seguenti
quantità Massa Energia Momento
dei 2 prodotti di decadimento
2211
222
221
2 22)()(2
cppEEcmcmcmz