HiLumi LHC FP7 High Luminosity Large Hadron Collider Design Study. Presentation

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1 CERN-ACC-SLIDE HiLumi LHC FP7 High Luminosity Large Hadron Collider Design Study Presentation La particella di Higgs: Fine della caccia o inizio di una nuova avventura? Rossi, Lucio (CERN) 18 January 2013 The HiLumi LHC Design Study is included in the High Luminosity LHC project and is partly funded by the European Commission within the Framework Programme 7 Capacities Specific Programme, Grant Agreement This work is part of HiLumi LHC Work Package 1: Project Management & Technical Coordination. The electronic version of this HiLumi LHC Publication is available via the HiLumi LHC web site < or on the CERN Document Server at the following URL: < CERN-ACC-SLIDE

2 La particella di Higgs: Fine della caccia o inizio di una nuova avventura? LHC project Distinguished Lecturer 2013 Lucio Rossi - Forli

3 L inizio: Padova, Gennaio 1610 «cose mai viste prima»

4 Questioni LHC project Perchè esiste una entità come il CERN? Produrre certezza, delle risposte solide, e non opinabili, scientifiche a delle domande fondamentali

5 Fisica delle particelle: verso l infinitamente piccolo Why accelerators? To investigate Particle Physics Accelerators Microscopes Binoculars Optical, radio télescopes La Fisica dele Particelle osserva la materia nella sua più piccola dimensione. Gli acceleratori sono finissimi microscopi: atto-scopi! λ = h/p T = 1 TeV λ m

6 Per comprendere da dove veniamo 13.7 Miliardi di Anni m Oggi

7 Big Bang gli estremi si toccano! Protone Atomo Raggio della Terra Distanze Terra Sole Raggio delle galassie LHC Universo Attoscopio Eravamo certi che l atomo fosse un punto certo, poi il nucleo, poi Hubble WMAP VLT ALMA

8 AccelEratorI: macchine del tempo Viaggio indietro nel tempo t µs 1/E 2 Gev T 1 ps per creazione di particelle singole T 1 µs per fenomeni collettivi QGS (Quark-Gluon Soup) In ogni caso poi rimane il compito di spiegare come si arriva alla complessità che si sviluppa nei 13,7 miliardi di anni che seguono... Molto più difficile!

9 Proprio come l astrofisica

10 La summa di 40 anni di ricerche : il modello standard Leptons Quarks u up d down e electron ν e e-neutrino c charm s strange µ muon ν µ µ-neutrino t top b bottom τ tau ν τ τ-neutrino g gluon γ photon W W boson Z Z boson Higgs Boson? Particelle e Forze Ciascuna con la sua antiparticella Brian Foster

11 1.00E E+11 LHC project 1.00E+10 leptons Mass (ev) 1.00E E E E E+05 quarks 1.00E E E E E E E E-03 The World («Standard Model») of Particle Physics in a slide All particles (antiparticles) initially massless Everyday s world ν e e u d ν µ µ c s ν τ τ t b SU(3)xSU(2)xU(1) Lepton (Neutrino) γ Z 0, W +,W 3 fermions Interactions (antifermions) families g G M H Higgs Mechanism does it all at first look: Brakes interaction symmetry Generates masses Enables particle/antiparticle symmetry breaking But Only Electroweak symmetry SU(2)xU(1) is broken Does not explain the >15 order of magnitude of masses Enabled particle/antiparticle assymmetry not enough to explain absence of antimatter and does not say anything about 95% of Universe

12 Cosa rimane quindi? LHC project Il modello standard è una buonissima descrizione dellúniverso alla scala delle particelle che conosciamo Ma non risponde a molte domande Perchè tante particelle? Perchè diversi tipi di forza? Cosa è la massa? Perchè le particelle hanno la massa che hanno? Cosa è la Materia Oscura? E la Energia Oscura? Materia oscura : circa 20 anni fa Energia oscura: circa 12 anni fa

13 Il contenuto massa energia dell universo

14 L unificazione di tutte le forze la complessità tende a uno

15 Gli strumenti della HEP 1) Concentrate energy on particles (accelerator) 2) Collide particles (recreate conditions after Big Bang) 3) Identify created particles in Detector (search for new clues) Entrambi richiedono tecnologie di punta (superconduttività, e molte altre)

16 CERN LHC project European Organization for Nuclear Research 2004: The 20 member states

17 CERN: la catena di accelratori Valorizza chio che esiste H?? 2004: The 20 member states

18 LHC: la macchina, I rivelatori

19 LHC: La macchina (magneti Superconduttori)

20

21 Le cui origini sono molto Italiane

22 Barrel Toroid magnet system LHC project

23 La firma dell Higgs a LHC I due fasci di protoni controcircolanti si incroceranno 100 milioni di volte al secondo! Ballon (30 Km) Pile de CD contenant une année de données du LHC! (~ 20 Km) Concorde (15 Km) Mt. Blanc (4.8 Km) We expect only 1 Higgs in 1,000,000,000,000 events

24 10 settembre 2008: la riuscita

25 LHC: la ripartenza: il fascio 13 dicembre : record TeV 16 bunches

26 LHC: la ripartenza I primi eventi

27 Primo evento di fisica inaspettata

28 Le prime collisioni di Pb-Pb La zuppa di quark-gluoni!

29 On Friday 27 November ATLAS has reported the observation of events with asymmetric jets evidence for quark-gluon plasma? More work needed LHC project Normal events Asymmetric (quenched?) events La fisica degli ioni pesanti riprendera alla fine di Ottobre 2011

30 Recento evento che potrebbe essere un Higgs: 1 mese ancora? Slide Agosto 2011

31 Ecco l higgs (probabilmente ) December 2011: hints of Higgs (near 3 σ) Higgs 2 Z 4 µ

32 4 Luglio 2012 : l Anncio del bosone

33 Higgs: c è` Ma la corsa non ha fine La certezza attira verso Troveremo molto altro ma in ogni caso Vogliamo vederci piu chiaro, meglio Cioé accendiamo una luce piu forte LRossi@Seregno 32 LHC ad Alta Luminosità Nel 2011 per esperimento a 7 TeV : miliardi di eventi Nel 2012 a giugno altri miliardi di eventi 8 TeV Nel 2020 avremo raccolto a 14 TeV 30 milioni di miliardi di eventi! Eppure non basta! L urgenza di andare piu in là ci spinge: HL-LHC 300 milioni di miliardi di eventi per cercare particelle piu rare

34 but that s only the beginning! What s next? LHC project Measure the properties of the new particle with high precision

35 3 Oct

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37 Con HL-LHC prepariamo l LHC del : e dopo? LRossi@Seregno 36

38 Fattori costituivi della domanda nella ricerca scientifica La domanda implica una risposta che sempre apre verso un livello di certezza Piu vero : é senza fine. La conoscenza scientifica è inesauribile. La limitatezza della conoscenza se non vissuta come segno, diventa Ansia di controllo (spesso non riesce e fa scandalo) Paura (segno di mancanza di certezza nel destino)

39 Una certezza ragionevole Oppure la provvisorietà strutturale delle nostre certezze e la impossibilità ad afferrare il punto ultimo del nostro essere (ed esserci) apre al Mistero: la certezza è la gratuità del mondo e di me (nemmeno la meccanica quantistica si è fatta da se!) La libertà del soggetto, nel capire i segni che la realtà attraverso al scinza ci invia, è fondamentale.

40 Il vero esiste e val la pena comunicarlo 1989 il WEB nasce al CERN 2009 la celebrazione del ventennale Tim Berners-Lee Robert Cailliau

41 Il successore del Web: GRID Il LHC computing GRID è un progetto finanziato dall UE con l obiettivo di construire la futura generazione di infrastruttura di calcolo per fornire una capacità di calcolo e analisi mai vista. Ballon (30 Km) Pile de CD contenant une année de donn du LHC! (~ 20 Concorde (15 Km) Mt. Blanc (4.8 Km)

42 WLCG no shutdown for computing LHC project Activity on 3 rd Jan LRossi@Seregno 41

43 Le applicazioni mediche: PET Prima immagine PET CERN, circa 1975

44 Adroterapia Oncologica: CNAO a Pavia

45 Le applicazioni mediche: Risonanza magnetica

46 ITER: L Energia delle stelle Central Solenoid Cryostat Toroidal Field Coil Vacuum Vesse Poloidal Field Coil Blanket Port Plug Major plasma radius 6.2 m Plasma Volume: 840 m 3 Plasma Current: 15 MA Typical Density: m -3 Typical Temperature: 20 kev Fusion Power: 500 MW Machine mass: t (cryostat + VV + magnets) - shielding, divertor and manifolds: 7945 t port plugs - magnet systems: t; cryostat: 820 t Torus Cryopum Divertor

47 MAGLEV

48 Le applicazioni: Trasporto energia

49 L importanza del maestro Il tramandarsi una tradizione tiene viva la domanda grandi scuole di fisica Assicura, aiuta, che l esperienza sia un cammino verso una certezza piu grande con un metodo che è quello di tutte le realtà umane positive: Verifica onesta: esperienza Dedizione, affezione Capacità di lavorare insieme Confronto tra l esperienza e l ipotesi Condivisione risultati: da questo la domanda si alimenta