Fisica sperimentale delle collisioni di protoni. Davide Valsecchi PhD Milano-Bicocca

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1 Fisica sperimentale delle collisioni di protoni Davide Valsecchi PhD Milano-Bicocca

2 LHC Physics in a nutshell Teoria Misura Falsificazione 2

3 Large Hadron Collider (LHC) Per esplorare la fisica delle particelle elementari bisogna costruire imponenti esperimenti. LHC: collisore adronico lungo 27 Km che accelera protoni fino a 14 TeV e li fa collidere in 4 punti diversi: CMS, Atlas, LHCb, Alice 3

4 Come misuriamo le interazioni elementari? Come si studia la fisica delle particelle osservando lo scontro di due protoni energetici? Che cosa misuriamo esattamente? Accumulare energia......per rendere possibili processi elementari... misurabili grazie all interazione dei loro prodotti finali con strati sensibili e molto sofisticati di materia CMS 4

5 Ricostruire un evento Natura Interazione elementare Collisioni 5

6 Ricostruire un evento Natura Interazione elementare Collisioni Interazione radiazione-materia 6

7 Ricostruire un evento Natura Interazione elementare Collisioni Interazione radiazione-materia Dati 7

8 Ricostruire un evento Dati Ricostruzione e analisi 8

9 Ricostruire un evento Interazione radiazione-materia Ricostruzione e analisi Dati 9

10 Ricostruire un evento Collisioni Interazione radiazione-materia Ricostruzione e analisi Dati 10

11 Ricostruire un evento Natura Interazione elementare Collisioni Interazione radiazione-materia Ricostruzione e analisi Dati 11

12 Ricostruire un evento Natura Interazione elementare Collisioni Interazione radiazione-materia Ricostruzione e analisi Dati calibrazione, allineamento, errori sistematici del detector 12

13 Compact Muon Solenoid (CMS) detector solenoide punto di interazione Una macchina fotografica che scatta 40 milioni di immagini tridimensionali al secondo utilizzando ~100M di singoli canali. LHC Peso: tonnellate. Lunghezza: 28.7 m. Altezza: 15 m 13

14 Compact Muon Solenoid (CMS) detector solenoide punto di interazione Una macchina fotografica che scatta 40 milioni di immagini tridimensionali al secondo utilizzando ~100M di singoli canali. LHC Peso: tonnellate. Lunghezza: 28.7 m. Altezza: 15 m 14

15 Ricostruzione degli eventi a CMS Tracker Calorimetro E.M. Calorimetro Adronico Solenoide Camere a muoni 15

16 Gestire un enorme (1000PB) mole di dati 1Mb/evento 6 GB/s YOU GRID 16

17 Ma nella pratica? segnale Comprendere il detector per interpretare correttamente i dati Definire le caratteristiche del processo elementare che si sta cercando (teoria) Ottimizzare dei criteri di selezione (anche molto complessi) per ridurre il rumore di fondo Utilizzare l analisi statistica per estrarre dei risultati dai dati ottenuti scoprire nuove particelle, calcolare limiti per i parametri di nuovi modelli fondi 17

18 Ma nella pratica? 18

19 Machine Learning (ML) Le nuove tecniche di ML hanno molto potenziale sia per l analisi dati finale sia per la ricostruzione e identificazione degli oggetti osservati nel detector Identificare i jet Velocizzare la simulazione Separare segnale e rumore 19

20 Attività di ricerca: alla frontiera del Modello Standard Un processo fondamentale ai collider adronici è l urto di bosoni vettori (Vector Boson Scattering o VBS) Misura complementare del meccanismo di Higgs Processo molto raro (interazioni deboli) La mancanza di statistica e il rumore di fondo sono i problemi principali Diagramma di Feynman al primo ordine per il VBS 20

21 Come possiamo isolare questo processo? La rete neurale separa segnale e fondi Ci sono differenze tra segnale e fondo in diverse variabili cinematiche che descrivono un evento Si costruisce un algoritmo (rete neurale) per ottimizzare l estrazione del segnale Si utilizza questo algoritmo per classificare gli eventi misurati (non sappiamo se sono segnale o fondo!) classificatore caratteristiche dell evento 21

22 e finita l analisi statistica? 22

23 e finita l analisi statistica? E il momento di passare all interpretazione fisica! Cercare di osservare a 5 sigma il segnale elettrodebole di VBS Cercare risonanze (nuove particelle) ad alta energia Testare la validità di modelli oltre il modello standard e imporre dei limiti per i loro parametri 23

24 Il calorimetro elettromagnetico di CMS Technical student nel team DAQ del calorimetro elettromagnetico (ECAL) di CMS (2017) PhD MiB Doctoral CERN Attività sul detector Mappa dell endcap di ECAL Migliorare la ricostruzione dell energia nel trigger di ECAL Mantenere sempre efficiente e attivo il detector durante la presa dati Ottimizzare il software del Data Acquisition system (DAQ) 24

25 e molto altro ancora! Nel nostro dipartimento ci sono diversi team attivi in CMS Detector Nuovi detector per l upgrade di CMS: Timing Layer ECAL detector Pixel detector Analisi dati Ricostruzione e analisi del tau Ricostruzione e analisi di elettroni e fotoni Analisi di Vector Boson Scattering Analisi di produzione di coppie di Higgs 25

26 26

27 Backup 27

28 Statistica e osservazione In fisica delle particelle un processo viene dichiarato osservato se la probabilità che quello che si e' osservato sia una pura fluttuazione statistica del fondo e' minore di 3x10-7, un livello che si indica con 5 sigma. Per osservare il Vector Boson Scattering con questo livello di precisione bisogna quindi limitare al minimo il rumore di fondo e soprattutto l incertezza sistematica sulla sua stima. L analisi statistica è un confronto tra il numero di eventi attesi (stimati con la simulazione) e il numero di eventi registrati (dati), dopo tutte le ottimizzazioni scelte per limitare il più possibile il rumore di fondo. Analizzando tutti i dati registrati durante il Run 2 di LHC ( ) e applicando le ottimizzazioni che abbiamo studiato speriamo di raggiungere l osservazione del VBS 28

29 ECAL DAQ Il DAQ è il sistema di controllo a contatto con l elettronica dei detector di CMS Si occupa di configurare tutte le schede elettroniche e impostare i parametri necessari per la presa dati Il DAQ elabora e trasmette le misurazioni di ogni singolo elemento del detector mantenendo tutto CMS in perfetta sincronia. In caso di errori si sprecano collisioni preziose! schede elettroniche 29