Corso di Fenomenologia delle Interazioni Fondamentali LM in Fisica, AA Silvia Arcelli

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1 Corso di Fenomenologia delle Interazioni Fondamentali LM in Fisica, AA Silvia Arcelli Misura dell Angolo di einberg a Petra, Scoperta dei bosoni mediatori e Z 3 Marzo 015 1

2 Scoperta delle Correnti Neutre, Angolo di einberg, i bosoni mediatori e Z Prime misure dell angolo di einberg Scoperta di e Z all SPPS Slides al link: Rif: Bibliografia sul sito del corso

3 NC in e+e-, Interferenza -Z a Petra Se si va ad energie nel centro di massa più elevate (s>0 GeV), il contributo dovuto allo scambio di Z diventa progressivamente. Alla fine degli anni 70, al collisionatore elettrone-positrone PETRA presso i laboratori di DESY è stata studiata in dettaglio la regione di interferenza fra il fotone e la Z. Diagrammi di Feynman all ordine più basso per e+e-+- (analoghi Per gli altri fermioni elementari) Sezione d urto:

4 L acceleratore operava ad energie nel centro di massa tra i 0 e 50 GeV. In questa regione, il termine di fotone è dominante, il termine di interferenza comincia ad essere rilevante, mentre il contributo puro di Z è ancora trascurabile. Ad esempio, per E cm = 34 GeV: L effetto dell interferenza fotone-z si osserva sia come contributo extra nella sezione d urto totale, sia nelle distribuzioni differenziali (distribuzione angolare dei fermioni nello stato finale) R e e e e ) QED ( ) ( A V V, ) ( Re 1 e s im M s M G r r c c r c R Z Z Z Z F Dipende dalla massa/larghezza della Z, e dai suoi accoppiamenti ai fermioni, C A e C V Interferenza -Z a Petra

5 Interferenza -Z a Petra Nella sezione d urto, l effetto è una diminuzione rispetto a quanto previsto dall ipotesi di solo scambio di fotone. Per E CM >M Z, il contributo diventa positivo. La misura della sezione d urto determina principalmente C V Re(r) Un altro effetto rilevante è la presenza di asimmetrie nella distribuzione angolare dei fermioni nello stato finale, che sarebbe nulla se non ci fosse lo scambio di Z d d 4s A 0 (1 cos ) A 1 cos A A c 4c V A Re Re r r ( c 8c V V c A c r A ) r Asimmetria Effetto della violazione di parità nelle interazioni deboli

6 Interferenza -Z a Petra Operativamente, la misura si fa andando a definire, in stati finali con due muoni carichi, l asimmetria di carica: A FB N N F F N N B B e e+ + èl angolo di scattering del fermione rispetto alla direzione del fermione incidente Numero di fermioni finali negli emisferi Forward e Backward, rispetto alla direzione del fermione incidente: N F N B 1 d d d 0 0 d d d 1 A FB 3 8 A1 3 ca Re(r) A 0 La misura dell asimmetria determina principalmente C A

7 Interferenza -Z a Petra Stati finali con due muoni: buona determinazione del segno e direzione dei fermioni Da un analisi combinata della sezione d urto e dell asimmetria e dal confronto con le previsioni per scambio di puro fotone, si riesce a dare una determinazione del seno dell angolo di einberg con una precisione di circa il 10%, confrontabile con gli esperimenti di neutrino scattering:

8 Verso la Scoperta dei Bosoni,Z Teoria ulteriormente sostenuta da misure consistenti con un unico valore del dell angolo di einberg, parametro introdotto da GS nel mescolamento degli stati di fotone e Z in termini dei campi di Gauge originari. Noto l angolo di einberg, la costante di Fermi e la costante di struttura fine, La teoria di GS è in grado di fare una previsione sulle masse dei bosoni vettori: G F g 8M 8sin e M 8sin 4 M M 78 GeV, M 89 GeV Z M M (sin 0.3) Z M sin / cos G F 8

9 Verso la Scoperta dei Bosoni,Z Indicazione sufficientemente precisa sulle masse dei bosoni intermedi dell interazione elettrodebole tale da definire la traccia per la loro osservazione diretta. Occorrevano: alte energie (occorreva produrli) alte luminosità (processi rari) Rivelatori in grado di ricostruire i decadimenti dei e della Z efficacemente, in modo da discriminarli dai processi di fondo La scoperta dei bosoni vettoriali intermedi avvenne nel 1983, un decennio dopo la scoperta delle correnti neutre, per opera degli esperimenti al collisionatore protone-antiprotone SPPS del CERN

10 Scoperta dei bosoni e Z all SPPS Collider SPPS: nato dalla modifica di un acceleratore per protoni del CERN (SPS), realizzato per generare fasci da utilizzare in esperimenti a bersaglio fisso, e in grado di accelerare protoni fino a un energia di 450 GeV (singolo fascio). _ E CM E m 30 GeV B N E CM E 900 GeV B Una configurazione a Collider consente di accedere a energie molto più elevate rispetto alla configurazione a bersaglio fisso. Per elettroni in acceleratori circolari, c è il notevole problema di compensare la radiazione emessa da una carica accelerata. Nel caso di protoni, la perdita di energia è molto più limitata.

11 Scoperta dei bosoni e Z all SPPS C. Rubbia propose nel 1976 di modificare l SPS per diventare un collider protoneantiprotone a GeV. Stessa beam pipe (non occorre ottica indipendente in collisioni particellaantiparticella), tuttavia considerevole difficoltà tecnica nell accumulare antiprotoni con energia sufficentemente definita da poter essere iniettati nel collider e successivamente accelerati. Luminosità della macchina seriamente limitata da questo effetto. Problema risolto da S. Van der Meer (raffreddamento stocastico degli antiprotoni). Il progetto parte nel 1978, due rivelatori (UA1 e UA, con UA che sa per Underground Area)

12 Sistema di Accelerazione CERN SPPS 4 Apr 014 from S. van der Meer Nobel lecture

13 Scoperta dei bosoni e Z all SppS Protone/antiprotone sono particelle composte. I quark di valenza trasportano una frazione X dell impulso del nucleone: Solo il 50% dell energia del protone e dell antiprotone è trasportata da quark (uud) e rispettivi antiquark: in media, energia di un quark di valenza 1/6 dell energia del protone

14 Scoperta del e della Z all SppS L energia nel CM, con un collider GeV e assumendo che x dei quark di valenza sia 1/6, è: ( ) 90 GeV E CM Il sistema è in genere prodotto con un boost netto lungo la direzione dei fasci: P L non fissato, eventi asimmetrici nella vista longitudinale Il P T iniziale è nullo, nel piano trasverso l evento è bilanciato

15 Scoperta dei bosoni e Z all SppS Meccanismo di produzione di /Z in collisioni protone-antiprotone: q, - Le sezioni d urto di produzione /Z dipendono fortemente dalle PDF dei partoni nel nucleone, a cui era associato un considerevole livello di incertezza. Una stima orientativa forniva: Sezioni d urto di sette ordini di grandezza inferiore a quella dei processi adronici (che hanno sezioni d urto delle decine di mb). Occorre garantire un alto grado di reiezione dal fondo QCD per poter selezionare solo gli eventi interessanti. In questi esperimenti si sviluppò il sistema di Trigger secondo un modello che poi si è evoluto fino ai rivelatori di oggi

16 Scoperta del e della Z a SppS Nel 1981 l SppS cominciò ad andare in funzione. A fine novembre del 198 i due esperimenti avevano raccolto una quantità di dati pari a circa 18 nb -1, corrispondente a un miliardo di interazioni pp. Rivelatore UA1: Camera di tracciamento centrale e Magnete dipolare Calorimetro elettromagnetico e Adronico Rivelatore di Muoni Sistema di Trigger con alta reiezione di primo livello

17 Esercizio 1: con L=5x10 8 cm s 1 e (pp(bar))= 50 mb quale rate di interazione totale ci si aspetta? Con 3.8 microsecondi di BX, c è interazione ad ogni BX? Esercizio : -Quali sono I canali di decadimento del bosone? -Stima dei suoi rapporti di decadimento in leptoni e adroni -Perchè si usano gli elettroni e I muoni? 17

18 Scoperta dei bosoni e Z a SppS Sei eventi consistenti con la produzione di un bosone nel canale di decadimento elettrone-neutrino: Elettrone con elevato impulso trasverso, ricostruito nel sistema di tracciamento e identificato nel calorimetro elettromagnetico. Fondo di elettroni fake da jets adronici mal identificati

19 Scoperta dei bosoni e Z a SppS Inoltre, impulso mancante nel piano trasverso (dovuta al neutrino), che bilancia l impulso trasverso dell elettrone. i p T p T itracking, calorimetri Calcolata da: Tracce cariche Segnali nei calorimetri non già associati alla traccia(adroni neutri, radiazione di fotoni) Segnatura sperimentale molto pulita, con pochissimi eventi di fondo. Sulla base di questi 6 eventi UA1 annunciò la scoperta e fornì anche una misura diretta della massa

20 Scoperta del e della Z a SppS Non si può misurare la massa del dalla massa invariante dei prodotti di decadimento (c è il neutrino). Nel sistema a riposo con il l energia dell elettrone è metà della massa del. L elettrone è fortemente relativistico. P e T M e ( PT ) sin Si utilizza la distribuzione in P T, che ha un massimo in corrispondenza di M / dn dp T m ( 1 ) p T d dn cos Jacobiano

21 Scoperta del e della Z a SppS forma dello spettro in P T dell elettrone nel decadimento del : dn dp T dn d cos d cos dp T 1 dpt d cos dn d cos dpt d M ( sin ) d cos d cos M cos M M ( 1 cos ) 4PT M 4P d d cos T ( 1 cos ) dn dp T 4P M T M 1 dn 4P d cos T

22 Scoperta del e della Z a SppS Solo sulla base dei primi 6 eventi prima misura diretta della massa del : Nel grafico misura con maggiore statistica Fondo da decadimenti e da adroni mis-identificati

23 Scoperta dei bosoni e Z a SppS La caratteristica distribuzione angolare dell elettrone nel sistema in cui il è a riposo permette di misurarne lo spin: Il Si accoppia solo a fermioni sinistrorsi e antifermioni destrorsi, per cui si ha J Z =-1 (asse di q. è la direzione di volo del protone incidente): d L u R e L R dn e (1 cos) d cos P e T M e ( PT ) sin u L d R e R L dn e (1 cos) d cos 3

24 Scoperta dei bosoni e Z a SppS Dopo alcuni mesi, nel 1983, l energia dell SPPS aumentò a 630 GeV e furono osservati anche eventi (4) compatibili con la produzione di Z.: sezione d urto minore BR(Zll)3.5%, vs BR(l) 10.7% Fondo trascurabile. Segnatura sperimentale: due elettroni/muoni isolati, di carica opposta no impulso trasverso mancante

25 Scoperta dei bosoni e Z a SppS Come per la produzione di, la maggior parte delle tracce vengono dalla frammentazione di protone e antiprotone, e sono di basso impulso trasverso Lo stesso evento dopo aver richiesto un P T delle tracce > GeV/c. In questo evento La Z0 è prodotta essenzialmente a riposo

26 Scoperta dei bosoni e Z a SppS ) cos (1 ) ( ) ( M Z ll l l l l l l E E p p E E Massa della Z ricostruibile direttamente dai prodotti di decadimento: Sui primi 4 eventi:

27 Misura massa - spettro in Pt Pt della Larghezza fisica/risoluzione Decadimento non isotropo... 7