Le particelle elementari, simmetrie nascoste e la caccia al bosone di Higgs

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1 Le particelle elementari, simmetrie nascoste e la caccia al bosone di Higgs Torino, Camplus - Lingotto 29 Novembre 2012 Nicolo Cartiglia -INFN Torino 1

2 La fisica delle particelle Le particelle elementari L approccio riduzionista in fisica delle particelle ha portato a moltissimi progressi. Ogni ulteriore livello di riduzione porta con se` una grande quantità di informazioni, il passaggio da un livello a quello successivo avviene attraverso lo studio di regolarità che indicano la presenza di una sotto-struttura Oggi parliamo di quello che non sappiamo del prossimo livello Nicolo Cartiglia -INFN Torino 2

3 Fondamentali: queste particelle sono ritenute senza struttura interna (anche se non è esclusa) Queste particelle si dicono materia, sono i costituenti della materia Queste particelle si dicono messaggeri, sono quelli che trasmettono le forze Nicolo Cartiglia -INFN Torino 3

4 Le forze: cariche ed intermediari Forza gravitazionale: Caduta dei corpi, moto stellare messaggero: gravitone carica: Massa/energia Forza elettromagnetica: magneti, atomi, chimica messaggero: fotone carica: elettrica (1 tipo) Forza forte: tiene uniti i protoni, i neutroni ed il nucleo anche se di carica uguale messaggero: gluone carica: colore (3 tipi) Forza debole: radioattività, attività solare messaggeri: W ± e la Z carica: debole Nicolo Cartiglia -INFN Torino 4

5 Antimateria L antimateria è una concetto comune in fisica delle particelle, è come la carica negativa rispetto a quella positiva. Regola: se si creano delle particelle in laboratorio si ottiene tanta materia quanto anti-materia, tante cariche positive tante negative. Come elementi, per ora sappiamo fare solo l anti-idrogeno e l anti-elio Quando materia ed antimateria si incontrano, si annichilano Nicolo Cartiglia -INFN Torino 5

6 Come si creano le particelle in laboratorio? Attraverso urti tra particelle si possono creare altre particelle: l energia delle particelle viene trasformata in materia! protone quark Si crea sempre materia ed antimateria in quantità uguali Einstein: E=mc 2 la massa si può trasformare in energia e viceversa. protone Nicolo Cartiglia -INFN Torino 6

7 Particelle e viaggi nel tempo Le particelle elementari Quando, come ad LHC, si scontrano particelle, si crea uno stato della materia che non esiste attualmente in nessun altro posto nell universo. Le condizioni che si creano ad LHC sono esistite solo negli attimi iniziali dopo il BigBang. LHC ~ sec Nicolo Cartiglia -INFN Torino 7

8 Le particelle che avete visto fino ad adesso (quark, leptoni, messaggeri) vengono descritte da un modello matematico chiamato: Modello Standard Descrive moltissimi dati sperimentali con grande accuratezza Tuttavia ci sono cose che non sappiamo. Per esempio: Misteri: 1. Dov è l antimateria? 2. Dimensioni spaziali? 3. Di cosa è fatto l universo? 4. Simmetrie nascoste: Il bosone di Higgs La ragione dell esistenza del bosone di Higgs Nicolo Cartiglia -INFN Torino 8

9 1- Un problema ovvio Le particelle elementari Durante il big bang, cioè il momento iniziale del nostro universo, si è creata tanta materia quanta anti-materia, tuttavia abbiamo un ovvio problema: Dove è finita l anti-materia? Imbarazzante: non abbiamo idea => Abbiamo perso il 50% delle particelle.. Nota: materia ed anti-materia non sono esattamente uguali: se lo fossero sarebbero scomparse entrambe nello stesso modo ed adesso ci sarebbe solo energia (questo problema si chiama CP violation, è una violazione di simmetria) Nicolo Cartiglia -INFN Torino 9

10 Digressione: Due problemi connessi 1) I quark ed i leptoni sono ripetuti 3 volte, ci sono 3 generazioni simili (ma non identiche) Non si sa perché 2) Tuttavia: 3 generazioni è il numero minimo per permettere una differenza tra materia ed anti-materia u d ν e c s ν µ t b ν τ Quindi: e µ τ Se ci fossero solo 2 generazioni non saremmo qui poichè tutta la materia ed anti-materia si sarebbero annichilate. È la nostra esistenza una ragione sufficiente? Probabilmente no Dato che non sappiamo perché ci sono 3 generazioni, stiamo cercando la quarta Nicolo Cartiglia -INFN Torino 10

11 2 - Solo 3 dimensioni spaziali? Immaginiamo di vivere in un mondo a due dimensioni nel quale ci muoviamo solo su di un piano. Supponiamo inoltre che sia un tipo di temibili oggetti che vivono in 3 dimensioni, le SFERE. Le SFERE appaiono e scompaiono, senza nessuna possibilità di sapere dove arriveranno la prossima volta.. Nello stesso modo possiamo immaginare che ci siano della particelle che vivono in 4,5 12 dimensioni che appaiono e scompaiono nel nostro mondo. String theory predice 6 extra dimensioni Domanda: perché la gravità è così debole? (la risposta ha a che fare con extra dimensioni??) Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino 11

12 Abbiamo un altro problema: 3 - Oscuri Segreti Quello che vi ho raccontato spiega solo il 5% dell universo, questa volta abbiamo perso il 95% dell universo Cosa sappiamo del 95% dell universo? Sappiamo che c è perché ne vediamo il suo effetto gravitazionale Il 22-25% è costituito da Dark Matter : I. Non emette nessun tipo di radiazione elettromagnetica. II. Fa ruotare le galassie più velocemente III. Una possibilità è che contenga particelle super-simmetriche Il 70-73% è composto da Dark Energy 1. Riempie uniformemente tutto lo spazio 2. Aumenta la velocità di espansione dell universo Nicolo Cartiglia -INFN Torino 12

13 4 - Simmetrie Nascoste Le particelle elementari Le simmetrie della natura sono spesso nascoste, rotte da effetti che si sovrappongono. Esempio: le leggi della fisica sono simmetriche per rotazione. Sulla terra invece, a causa della gravità, questo non è vero. Si dice allora che la simmetria è nascosta (o rotta) dalla gravità. La simmetria esiste, ma non si vede più La ricerca di simmetria nascoste è il mestiere dei fisici teorici Nicolo Cartiglia -INFN Torino 13

14 L idea di Mr. Higgs Le particelle non hanno massa, e sono simmetriche tra loro Questa simmetria è nascosta (broken) dal fatto che il bosone di Higgs, interagendo con le particelle, le rende massive Nicolo Cartiglia -INFN Torino 14

15 La massa dei leptoni e quark Idea chiave: Il campo di Higgs si incolla alle particelle e crea la loro massa La massa è una proprietà che viene acquisita attraverso l interazione con il bosone di Higgs: sembrano avere massa perché interagiscono con il bosone di Higgs e diventano più difficili da spostare. Nicolo Cartiglia -INFN Torino 15

16 Nota Bene Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino 16

17 Problemi successivi Le particelle elementari L origine della particella di Higgs L esistenza della particella di Higgs fa si che il modello matematico sia inconsistente. Molte delle inconsistenze si risolvono introducendo un ulteriore simmetria nascosta: la supersimmetria La Supersimmetria crea una simmetria tra particelle fermioniche (spin frazionario) e bosoniche (spin intero) ogni particella esiste sia nella versione fermionica che bosonica. Nicolo Cartiglia -INFN Torino 17

18 La Supersimmetria Le particelle elementari Secondo la supersimmetria quindi dobbiamo trovare: - Quark e leptoni che sono bosoni (s-quark, s-lepton) - Gluoni, fotoni che sono fermioni Dato che è una simmetria deve capitare: massa dei quark = massa s-quark massa dei leptoni = massa degli s-leptoni Non abbiamo mai trovato s-quark o s-leptoni, quindi la loro massa è molto più grande dei loro fratelli fermionici. Questo vuol dire che la supersimmetria è rotta, nascosta da qualche cosa Nicolo Cartiglia -INFN Torino 18

19 Riassunto : 2 simmetria nascoste Le particelle elementari L universo è fatto (forse) da particelle supersimmetriche che si presentano sia nello stato bosonico che fermionico, tutte a massa nulla (elettrone con spin = 0 ed ½).?? La supersimmetria è rotta da qualche cosa che non sappiamo, che agisce sulle particelle bosoniche e le fa sparire (molto molto pesanti??) Le particelle fermioniche sono ancora senza massa IPOTESI Higgs La simmetria è rotta dal campo di Higgs Misurato Le particelle fermioniche hanno massa piccola (<200 GeV) le particelle bosoniche sono molto pesanti (~ GeV) È vero??? E perche? Nicolo Cartiglia -INFN Torino 19

20 Una particella esasperante: il bosone di Higgs Gran parte della comunità scientifica ritiene l esistenza del bosone di Higgs molto probabile, e la sua ricerca è alla base del più grande esperimento scientifico mai costruito. Come lo si cerca? Per prima cosa bisogna farlo. Noi non sappiamo quanto pesa, per cui per 20 anni si è sperato di trovarlo ogni volta che un nuovo acceleratore veniva acceso ma invano. LHC è così potente che, se esiste, lo facciamo di sicuro Nicolo Cartiglia -INFN Torino 20

21 Come si fa un bosone di Higgs? Le particelle elementari La teoria ci dice quali sono i meccanismi di produzione: Si parte da due protoni due costituenti si fondono, e si forma l Higgs Nicolo Cartiglia -INFN Torino 21

22 Per i curiosi Nicolo Cartiglia -INFN Torino 22

23 Che probabilità ha di crearsi un bosone di Higgs? Si riesce a fare un bosone di Higgs una volta ogni urti Urto protone-protone Nel modo in cui funziona LHC adesso, si fa circa un Higgs ogni ora (secondo la teoria attuale) Urto protone-protone che fa un Higgs Nicolo Cartiglia -INFN Torino 23

24 L Higgs decade subito in altre particelle: dobbiamo misurare la massa di coppie bb, oppure WW, ZZ,, γγ, e vedere se hanno la stessa massa. Come facciamo a vederlo? Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino 24

25 Evento misura a CMS a Giugno 2011 Nicolo Cartiglia -INFN Torino 25 Le particelle elementari E o non è un Higgs γγ?

26 Evento misura Nicolo a CMS Cartiglia ad -INFN Agosto Torino Le particelle elementari E o non è un Higgs 4 muoni?

27 Evento misura a CMS ad agosto 2011 Nicolo Cartiglia -INFN Torino 27 Le particelle elementari elettrone elettrone E o non è un Higgs 4 elettroni?

28 Segnale e fondo Le particelle elementari Supponiamo di vedere in uno scontro due fotoni nello stato finale. - Segnale: È possibile che siano dovuto al decadimento dell Higgs H γγ - Fondo: È molto probabile che sia dovuti ad altre cose. Bisogna fare un analisi statistica per capire se si vede un segnale o no. Nicolo Cartiglia -INFN Torino 28

29 Coppie di fotoni Se le coppie di fotoni: sono casuali, allora la loro massa non ha un valore fisso. vengono dal decadimento dell Higgs, allora hanno tutte la stessa massa: M γγ = M Higgs Nicolo Cartiglia -INFN Torino 29

30 Cosa può capitare? Segnale Higgs forte: Se il segnale è molto grande, lo si vede facilmente: Stoccolma Time!!!! Nicolo Cartiglia -INFN Torino 30

31 Cosa può capitare? Segnale Higgs nullo: Se il segnale è non c è: Coffe Time!!!! Nicolo Cartiglia -INFN Torino 31

32 Cosa può capitare? Segnale Higgs incerto: Se il segnale è dubbio: Statistic Time!!!! Nicolo Cartiglia -INFN Torino 32

33 Separazione Segnale - Fondo Le particelle elementari Bisogna valutare la probabilità che il fondo, cioè eventi casuali, creino dei falsi segnali, cioè degli agglomerati di eventi tutti con la stessa massa, ma che non sono dovuti all Higgs Questo lo si fa introducendo il p-value: p-value = probabilità che il fondo generi un numero di eventi uguale o più alto di quelli visti Nicolo Cartiglia -INFN Torino 33

34 P-value per una distribuzione di Poisson Supponiamo di aspettarci 100 eventi, e ne vediamo 100, 110, 120 Che probabilità ha l ipotesi nulla (niente Higgs) di essere corretta? Valore Atteso Valore Misurato P-Values Molto probabile Poco probabile Nel bin misuro 110 eventi, vado o non vado a Stoccolma? NO Nicolo Cartiglia -INFN Torino 34

35 CMS Le particelle elementari ATLAS Due piccoli picchi, nello stesso posto: 125 GeV Ed adesso? Si aspetta Nicolo Cartiglia -INFN Torino 35

36 E ad altri valori della massa? La ricerca dell Higgs è fatta per tanti ipotetici valori di massa, da circa 110 a 600 GeV. Per tutti i valori, tranne ~126 GeV, l ipotesi nulla (che non ci sia Higgs) ha un p-value alto, cioè funziona bene. Questo fatto ci permette di dire che tutte le masse, tranne GeV, sono escluse. Nicolo Cartiglia -INFN Torino 36

37 Per concludere: è proprio l Higgs od un altra particella? La teoria ci dice con grande precisione con che frequenza si produce l Higgs ed in cosa decade. Not Mr Higgs Mr Higgs Nei prossimi anni possiamo constatare se quello che abbiamo visto è l Higgs o qualche altra meraviglia della natura Nicolo Cartiglia -INFN Torino 37