La ricerca del bosone di Higgs al CERN di Ginevra con l acceleratore LHC

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1 La ricerca del bosone di Higgs al CERN di Ginevra con l acceleratore LHC Andrea Bizzeti Università di Modena e Reggio Emilia Dipartimento di Scienze Fisiche, Informatiche e Matematiche Physics Class, Modena

2 La materia nell Universo: ordini di grandezza 10 7 m

3 Una galassia è (10 14 ) volte più grande della Terra contiene (10 12 ) stelle

4 Nell Universo ci sono (10 11 ) galassie...

5 ... per un totale di (10 22 ) stelle Milky Way Gigi Rolandi - CERN 7/6/11 Tutte composte dagli stessi identici elementi di materia

6 atomi nuclei protoni/neutroni quark + elettroni Nell Universo ci sono (10 80 ) quark, tutti identici tra loro e che si sono formati nei primissimi istanti di vita dell Universo

7 14 miliardi di anni BIG BANG OGGI

8 Al CERN di Ginevra studiamo le interazioni della materia nelle condizioni esistenti pochi attimi dopo il Big Bang e che hanno determinato l evoluzione dell Universo nella forma che conosciamo oggi

9 Il CERN Organizzazione Europea per la Ricerca Nucleare Fondato nel Stati membri In Svizzera e in Francia, vicino alla città di Ginevra Esperimenti con acceleratori e rivelatori di particelle Luogo di nascita del World Wide Web

10 Large Hadron Collider (LHC) Una enorme macchina costruita al CERN per fare scoperte nel campo della fisica delle particelle

11 LHC può mostrare il prossimo passo nella comprensione della materia Filosofia Scienza classica Meccanica Quantistica Empedocle a.c. 4 elementi fondamentali Mendeleev 19 secolo Tavola Periodica 100 elementi Rutherford, Bohr 20 secolo 3 particelle: elettrone, protone, neutrone

12 La struttura elementare della materia oggi Protoni e Neutroni sono fatti di QUARK che sono tenuti insieme da GLUONI

13 Visione moderna dei costituenti della Natura MATERIA FORZE Interazione forte. Per rimuovere un protone da un nucleo occorrono 10 MeV Interazione elettromagnetica. Per rimuovere un elettrone da un atomo occorrono 10 ev 10 Interazione debole (fusione nucleare nel Sole p + p 2 H + e + + ν e ) È tutto qui?

14 LHC è il prossimo passo in avanti per studiare due questioni fondamentali: quali sono i veri costituenti fondamentali della materia Sono i quark e i leptoni davvero puntiformi? Esistono altre particelle elementari? quali sono le forze attraverso cui interagiscono Esistono altre forze superforti o superdeboli? LHC ci permette di ricreare particelle fondamentali non piu viste da s dopo il Big Bang

15 I misteri dell Universo Come era l Universo subito dopo il Big Bang? Qual è la natura della materia oscura? non si vede, ma influisce sul moto delle stelle Cosa è successo all anti-materia? subito dopo il Big Bang ce ne era in abbondanza Ci sono altre dimensioni? LHC può cercare le risposte anche a queste domande

16 LHC missione n. 1: il mistero della massa

17 Materia, massa ed energia Newton: F = m a L accelerazione di un corpo sottoposto all azione di una determinata forza F è inversamente proporzionale alla sua massa Equivalenza tra massa inerziale e gravitazionale Einstein: E = m c 2 La massa possiede energia Particelle senza massa viaggiano alla velocità della luce Particelle massive viaggiano più lente La massa rende curvo lo spazio-tempo

18 I misteri della massa La definizione di Newton della massa è andata bene agli scienziati per più di 200 anni La scienza ha descritto come si comporta la massa prima di capire il perché Questo perché è oggi un attivissimo campo di ricerca Capire l origine della massa completerà o estenderà il Modello Standard, che descrive tutte le particelle elementari note e le loro interazioni

19 Il Modello Standard una descrizione semplice ed elegante della Natura Combinazione di Meccanica Quantistica e Relatività ristretta Una teoria quantistica dei CAMPI Ingredienti base sono i CAMPI, inclusi il campo elettrico ed il campo magnetico

20 Un esempio: il campo elettrico separa azione e reazione si propaga alla velocità della luce la sua energia è quantizzata fotoni i fotoni non interagiscono tra di loro

21 La massa delle particelle spazia su 11 ordini di grandezza: perché? Masse in GeV/c 2 ( M protone ) Gli esperimenti hanno misurato le masse delle particelle elementari M protone Non c è nessuna regolarità I neutrini sono molto leggeri L elettrone è volte più leggero del quark più pesante Il fotone è privo di massa, ma i bosoni W e Z pesano circa quanto un atomo di argento!

22 Un problema massiccio... Il Modello Standard non è in grado di prevedere i valori delle masse e, peggio ancora, nella teoria originale tutte le particelle non hanno massa! Un mondo con quark ed elettroni di massa nulla sarebbe molto diverso da quello attuale: tutte le particelle si muoverebbero costantemente alla velocità della luce non ci sarebbero gli atomi, la tavola periodica, le stelle, la chimica, la biologia, non ci saremmo neppure noi!

23 ... risolto con un trucco Bisogna aggiungere al Modello Standard un campo diverso da tutti gli altri. Il campo di Higgs: scalare (senza spin) interagisce con se stesso nel vuoto è diverso da zero! Le particelle acquistano massa interagendo con il campo di Higgs: più forte è l interazione, maggiore è la massa.

24 Un campo diverso da zero nel vuoto? Il vuoto è lo stato di minima energia (ogni particella possiede una energia positiva) Tutti i campi normali hanno energia minima se valgono zero Perchè il campo di Higgs fa eccezione? Rottura spontanea di una simmetria: leggi fisiche simmetriche, ma stato di minima energia NO! Esempi: tavola rotonda apparecchiata (tovagliolo a destra/sinistra) sbarretta cilindrica compressa (rotazione intorno all asse z) del campo magnetico in un materiale ferromagnetico

25 Il campo di Higgs: una congettura All inizio: L Universo è caldo e simmetrico il campo (medio) di Higgs nel vuoto vale zero Il fotone e i bosoni W e Z hanno massa nulla Poi: l Universo si raffredda, avviene una transizione di fase, si rompe la simmetria e il campo di Higgs nel vuoto non è più zero!

26 Il campo di Higgs: riepilogo l Universo è completamente permeato dal campo di Higgs, che si trova ovunque e non può essere schermato le particelle acquistano massa interagendo con questo campo più forte una particella interagisce con il campo di Higgs più la particella è massiva il fotone non interagisce la sua massa è nulla W e Z interagiscono molto sono quindi molto massivi, circa quanto un atomo di argento

27 Higgs o non Higgs? Il campo di Higgs è solo un trucco matematico, o è la vera descrizione dell origine della massa? Possiamo scoprirlo! Infatti, se il campo di Higgs esiste allora deve esistere una particella nuova, il bosone di Higgs, le cui interazioni con le altre particelle sono univocamente previste dalla teoria.

28 Per cercare il bosone di Higgs servono: 1. Acceleratore: una macchina potente per accelerare i protoni e farli scontrare 2. Rivelatori: giganteschi strumenti che registrano le particelle prodotte nella collisione tra protoni 3. Supercomputing: per raccogliere, conservare, distribuire e analizzare l enorme quantità di dati prodotti dai rivelatori 4. Scienza collaborativa su scala mondiale: migliaia di scienziati e ingegneri per progettare, costruire e operare queste macchine molto complesse

29 Acceleratori di Particelle come LHC Sono microscopi potentissimi e ci permettono di guardare più a fondo nella Natura λ hc/e De Broglie 2 Possono produrre particelle di massa molto grande E = m c Einstein Ci permettono di studiare l Universo quando era giovanissimo e caldissimo E = k T 0, s K Boltzmann Rivisitiamo i primissimi istanti dell Universo per osservare particelle e fenomeni che oggi non avvengo più

30 Come è fatto un acceleratore? ( ) F = q E + v B Lorentz Bombola di idrogeno Campo elettrico Campo magnetico

31 Il Large Hadron Collider I protoni sono accelerati da potenti campi elettrici fino a velocità prossime a quella della luce Sono guidati lungo le loro traiettorie da potenti magneti superconduttori Il loro campo magnetico raggiunge 8.3 Tesla ( volte quello terrestre) I magneti lavorano a 1.9 K ( 271 C) in elio superfluido I protoni viaggiano in un tubo che è a vuoto spinto e a temperatura più bassa che lo spazio interplanetario

32 Campo elettrico per accelerare i protoni Cavità superconduttrici ad alta frequenza I protoni cavalcano le onde elettromagnetiche

33 Campo magnetico per far curvare i protoni I magneti superconduttori mantengono i protoni su traiettorie circolari

34 Il tunnel di LHC: 100 metri sotto terra, lungo 27 km

35 I rivelatori di particelle Apparecchi fotografici velocissimi e molto sofisticati

36 I rivelatori di particelle Strati concentrici di macchine forografiche per misurare la direzione e l energia delle particelle prodotte nella collisione

37 I rivelatori di particelle a LHC: 6 esperimenti Ricerca del bosone di Higgs ATLAS CMS Collisioni tra nuclei: ALICE Materia e anti-materia: LHCb ALICE LHCb Misure in avanti : LHCf e TOTEM

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39 CMS (in costruzione) uomini

40 ATLAS (L=46 m, H=25 m)

41 ATLAS (in costruzione) UOMO

42 Edificio di 5 piani! Enormi rivelatori di particelle più precisi di un orologio svizzero ATLAS! CMS!

43 Fotografia di una collisione interessante

44 Raccogliere e analizzare i dati

45 Selezione, distribuzione e analisi dei dati Rivelatore = 100 Megapixel Prende 40 milioni di foto al secondo Prima selezione delle fotografie: al secondo, 1 Mbyte ognuna Analizzate da una farm di computer con CPU cores Ogni secondo le migliori fotografie sono registrate: 10 milioni di Gigabyte/anno (3 milioni di DVD) Distribuite in tutto il mondo

46 Il traffico di dati Il traffico di dati in un esperimento a LHC ( 500 Gigabit/s) è equivalente a tutto il traffico mondiale istantaneo di telefonia

47 Una GRID per una collaborazione mondiale Migliaia di scienziati, da centinaia di Università e Laboratori in decine di Paesi collaborano a questi esperimenti La Grid è una infrastruttura che permette l accesso trasparente alla potenza di calcolo e ai dati distribuiti in tutto il mondo Collega computer in 34 paesi con linee di trasmissione dati ultraveloci In un anno milioni di Gigabyte di dati viaggiano attorno al mondo

48 Abbiamo ora tutto quello che serve: Acceleratore Peter Higgs visits CMS Rivelatori Supercomputing Scienziati per iniziare la caccia al bosone di Higgs

49 Cosa sappiamo del bosone di Higgs? È prodotto molto raramente Si disintegra immediatamente in altre particelle Dobbiamo fotografarle e misurarle tutte se vogliamo ricostruire il bosone di Higgs In quali particelle decade dipende dalla sua massa Non sappiamo la massa e quindi dobbiamo cercare ovunque

50 Cosa sappiamo del bosone di Higgs? Intervallo di massa gia escluso: Tevatron LEP Massa del di bosone Higgs ( dimiliardi Higgs (GeV/c di ev) 2 ) LHC è progettato per cercare il bosone di Higgs a tutte le masse > 100 GeV/c 2

51 Eventi candidati Higgs fotografati a LHC γ 1 = 86 GeV γ 2 =56 GeV H 0 γγ (?) H 0 4µ (?) Queste fotografie sono di eventi candidati Higgs, però potrebbero essere anche eventi standard che ci assomigliano. Quando ne avremo raccolti un gran numero riconosceremo se tra loro ci sono i veri Higgs perchè questi hanno tutti la stessa massa.

52 Nel 2012 LHC ha funzionato molto bene ] 1 Delivered Luminosity [fb Luminosità integrata giornaliera CMS ( collisioni pp al giorno) Jan 2011 ATLAS Online Luminosity 2010 pp 2011 pp 2012 pp Apr s s s = 7 TeV = 7 TeV = 8 TeV GIUGNO Jul Integrated Luminosity (pb 1 /day) DICEMBRE 23 Oct Month in Year CMS Integrated Luminosity Per Day, pp, 2012, p s = 8 TeV 50 0 Data included from :37 to :49 UTC 350 LHC Delivered, max: pb 1 /day May 1 Jun CMS Recorded, max: pb 1 /day 1 Jul 1 Aug 1 Sep Date (UTC) 1 Oct 1 Nov 1 Dec Luminosità integrata totale ATLAS aggiornata a DICEMBRE (7 fb 1 a giugno; 23 fb 1 totale) 2011 (5 fb 1 totale) 50 0

53 Come abbiamo visto il bosone di Higgs? Risultati dell estate aggiornamenti marzo 2013

54 Come abbiamo visto il bosone di Higgs? Eventi a 4 leptoni

55 Event display of a clean Higgs candidate Come abbiamo visto il bosone di Higgs? Eventi a 4 leptoni e µ e µ

56 7 TeV 4e, 4µ, 2e2µ 8 TeV 4e, 4µ, 2e2µ Eventi a 4 leptoni: picco in massa e analisi angolare primi segnali (luglio 2012) -1 CMS Preliminary s = 7 TeV, L = 5.05 fb -1 ; s = 8 TeV, L = 5.26 fb Events / 3 GeV 12 Data Z+X 10 Z *,ZZ 8 m H =126 GeV MELA > m 4l [GeV] m 4l [GeV]

57 Eventi a 4 leptoni: picco in massa e analisi angolare CMS, aggiornamento marzo 2013 K D CMS preliminary -1 s = 7 TeV, L = 5.1 fb -1 s = 8 TeV, L = 19.6 fb 4e 4µ 2e2µ m 4l (GeV)

58 Event display of Higgs 2 photons candidate Come abbiamo visto il bosone di Higgs? Eventi a 2 fotoni γ γ

59 Eventi a 2 fotoni: massa invariante (Atlas, aggiornamento marzo 2013)

60 Eventi a 2 fotoni: analisi statistica (aggiorn. marzo 2013)

61 A che punto siamo Gli esperimenti ATLAS e CMS hanno scoperto una nuova particella con massa M = 125 GeV/c 2 (risultati luglio 2012) aggiornamento marzo 2013 alla conferenza Moriond-EW, La Thuile, ( ) Le caratteristiche finora misurate coincidono con quelle del bosone di Higgs previsto dal Modello Standard. Questa scoperta è solo un primo passo: il grosso del lavoro comincia adesso! analizzare tutte le fotografie raccolte misure accurate delle caratteristiche di questa particella misura dell interazione con le altre particelle confronto con le previsioni del Modello Standard ricerca di altre nuove particelle (non previste dal M.S.)

62 Futuro prossimo e remoto LHC ha proseguito la raccolta dati fino a febbraio 2013 (collisioni protone-protone fino a dicembre 2012), per raddoppiare le fotografie di eventi candidati Higgs Adesso starà fermo un anno e mezzo per una grossa manutenzione, per raddoppiare l energia delle collisioni Questa macchina più potente raccoglierà dati per i prossimi anni, scattando centinaia di volte più fotografie : una enorme quantità di dati da analizzare per capire di più su come siamo fatti e sui primissimi istanti dell Universo