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

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1 Corso di Fnomnologia dll Intrazioni Fondamntali LM in Fisica, AA Silvia Arclli Vrso il Modllo Standard: Scoprta dl charm, dl tau dl bauty 16 Marzo

2 Vrso il Modllo Standard: Scoprta dl charm, dl tau dl bauty Il quarto quark: Scoprta dllla J/Psi : Scoprta dlla J/Psi in collisioni adronic in +- Il trzo lpton: scoprta dl tau Il quark Bottom: vidnza dlla Y studio di suoi dcadimnti Slids al link: Rif: Bibliografia sul sito dl corso 2

3 Altri Sapori Psanti : il il bauty La scoprta dlla J/ confrma quindi l ipotsi GIM l sistnza di un quarto quark, dando ultrior crdibilità al modllo lttrodbol di Glashow, Wimbrg Salam (struttura a doppitti, mdiatori massivi W, Z). Sul vrsant torico, t Hooft nl 1971 dimostrò ch il modllo GWS con rottura spontana dlla simmtria (mccanismo di Higgs) ra una toria rinormalizzabil. Nllo spazio di tr anni ( ), altri du frmioni fondamntali furono scoprti: il trzo lpton carico (il tau) il quark di tipo down dlla trza famiglia di quark (il bauty). In particolar, nllo stsso priodo (1975) in cui si analizzava in dttaglio la fnomnologia dgli stati di charmonio, smpr a SPEAR, M. Parl collaboratori ossrvarono dgli stati finali molto particolari

4 Scoprta dl lpton (rios) Trzo Lpton psant già crcato smpr in +- ad ADONE a Frascati, crcando il dcadimnti lptonici: L L Firma dl lpton psant: L L L L, Evnti con apparnt violazion + CC dl Flavour lptonico Acoplanari Tuttavia, nrgia nl cntro di massa (3 GV) non sufficnt pr produrr una coppia di tau...

5 Scoprta dl lpton (rios) Branching Ratio di dcadimnto dl tau: Lptonici: BR( BR( ) 17.8% ) 17.4% Univrsalità lptonica In Corrnt carica Smilptonici: BR( hadrons ) 64.8% Dcadimnto prdominant In adroni... g - W- g - _ g - W- _ u g d

6 Scoprta dl lpton (rios) 24 vnti contnnti un lttron un muon di sgno opposto, d nrgia mancant Muon idntificato nll camr a muoni Elttron idntificato da calorimtro lttromagntico

7 Scoprta dl lpton (rios) N.B. Il fondo da produzioni di coppi di lptoni gnra coppi con ugual flavour di lptoni carichi, snza nrgia mancant. Fondo rsiduo dominant: 4 vnti da adroni misidntificati Mis+ID Probabilitis: P h, 20% P μ 1% Expctd BG: 4.7 ± 1.2

8 Scoprta dl lpton (rios) Dall articolo original:

9 Scoprta dl lpton (rios) Massa dl tau misurata dalla szion d urto alla soglia di produzion: s ( )( E, S, M ) cm Vita mdia dll ordin dl cntinaiodi fs, non misurabil dirttamnt a qui tmpi, solo dopo qualch anno con rivlatori di vrtic con nrgia nl cntro di massa più lvata (si può darn una stima a priori?) La rivlazion dirtta dl nutrino dl tau, partnr dl doppitto dl trzo lpton carico, è avvnuta solo molto più tardi, nl 2001 (sprimnto DONUT a FNAL).

10 Scoprta dl lpton (rios) Vita mdia dl tau, da toria di frmi univrsalità lptonica in Corrnt Carica: ) 10 ( ) ( ) ( ) ( m m BR BR BR s

11 La Trza Gnrazion di Frmioni Prhaps th gratst impdimnt to th accptanc of th tau as th third chargd lpton was that thr was no othr vidnc for a third particl gnration. Martin L. Prl 11

12 Scoprta dlla (bauty) La scoprta dl quark b, in manira dl tutto analoga al quark c, è avvnuta in uno stato di hiddn flavour, ovvro in uno stato risonant corrispondnt al sistma lgato bauty-antibauty. Ossrvato nl 1977 a FNAL, dall sprimnto condotto da L. Ldrman ch studiava produzion di coppi di Drll-Yan (+-) in collisioni di protoni a 400 GV su brsagli di ram o platino: Esprimnto concttualmnt simil a qullo di Ting dllo stsso Ldrman pr la J/

13 Scoprta dlla (bauty) Fondo da adroni sopprsso insrndo un assorbitor subito dopo il brsaglio. Risoluzion in massa (200 MV) limitata dallo scattring multiplo. Stati risonanti con massa comprsa tra GV; anch in qusto caso, la larghzza è totalmnt dominata dalla risoluzion sprimntal Dopo sottrazion dl fondo non risonant

14 Scoprta dlla (bauty) Misur più raffinat sugli stati di bottomonio fatt ad altri collidr a partir dal 1978 (DORIS, CESR) in collisioni lttron-positron:. Risonanz molto strtt Soglia di produzion di msoni B! Ossrvati a CESR nl 1983

15 Scoprta dlla (bauty) Spttro di bottomonio simil a qullo dl charmonio: Solo gli stati 1 --, com pr il charmonio, sono prodotti in collisioni +-. La carica dl quark b, analogamnt al caso dl c, è stabilita dalla larghzza parzial in lttroni (PLUTO a DORIS, nl 1978). Consistnt con -1/3 Scoprto il quinto quark, appartnnt alla trza famiglia partnr dl doppitto dl quark top (individuato molti anni dopo nl in collisioni pp(bar) di alta nrgia a FNAL)

16 Msoni con bauty, B Così com pr il charmonio, nl sistma dl bottomonio i msoni con opn flavour sono prodotti quando E cm supra la soglia di produzion di du msoni B. Qusto avvin alla Y(4S). Mass intorno a 5.3 GV, vit mdi dll ordin dl ps. Anch qui, misur prcis di vita mdia solo succssivamnt, con rivlatori di vrtic raffinati fftto dl boost di Lorntz. Dcadimnto privilgiato in msoni D+X, ad smpio: N.B. Msoni B msoni D hanno vit mdi confrontabili. C lo si aspttava?

17 Matric CKM Nl 1973 (prima dlla scoprta dlla J/psi), stndndo l ida di Cabibbo di GIM, Kobayashi Maskawa stsro il mccanismo di mscolamnto di quark a 3 doppitti (fino a qul momnto dl tutto ipottici), con lo scopo principal di incorporar la violazion di CP nl Modllo Standard Pr potr dscivr la violazion di CP, nll hamiltoniana dv comparir un numro complsso, in modo ch: La cosa più smplic è introdurr una fas nlla matric unitaria di mscolamnto.

18 Matric CKM In gnral, una matric unitaria N x N ha: Con N=2, ovvro solo du famigli di quark, gli lmnti di matric sono rali non può ssr incorporata nssuna fas pr dscrivr la violazion di CP. Il numro minimo di famigli pr contmplar la violazion di CP nl Modllo Standard è 3. Scoprto il top, un numro ugual di gnrazioni di quark lptoni con doppitti complti prmttono anch di cancllar diagrammi divrgnti nl MS (anomalia di Adlr)

19 Anomalia di Adlr Z 0 f f _ ) 3 1 ( ) 2 1 ( ) 3 2 ( ) 2 1 ( 1) ( ) 2 1 ( (0) ) 2 1 ( T ) ( c ni Ngnrazio A Nfrmioni f A N c Q c A L ampizza di qusto diagramma dv ssr= 0

20 Matric CKM Gli autostati dboli, in total analogia con la toria di cabibbo l ipotsi GIM, sono lgati agli autostati dll intrazion fort da una rotazion 3x3 sprssa da una matric unitaria, la matric di Cabibbo-Kobayashi-Maskawa: Unitarità dlla matric CKM I paramtri dlla matric di CKM dvono ssr dtrminati sprimntalmnt!

21 Matric CKM Valori dgli lmnti di matric CKM dall misur sprimntali: Quasi Diagonal! L transizioni fra mmbri di famigli divrs sono sopprss, smpr di più a sconda dlla distanza fra famigli Vita mdia dgli adroni con B più lunga di quanto ci si potrbb aspttar...il loro dcadimnto coinvolg ncssariamnt un lmnto fuori dalla diagonal.

22 Matric CKM L misur più accurat provngono da dcadimnti in cui in uno di vrtici ci sono di lptoni: dcadimnto, dcadimnti smilptonici dll particll stran di msoni con havy flavour, produzion di charm in scattring di nutrini:

23 Bibliografia xtra pr approfondimnti: S.C.C Ting Nobl Lctur, THE DISCOVERY OF THE J PARTICLE: A prsonal rcollction B. Richtr Nobl Lctur, FROM THE PSI TO CHARM THE EXPERIMENTS OF 1975 AND 1976 M. Prl, THE DISCOVERY OF THE TAU LEPTON, SLAC-PUB

24 Matric CKM Divrs paramtrizzazioni, qulla canonica : =