Introduzione all esperimento LHCb e all analisi dei dati. Lucio Anderlini Istituto Nazionale di Fisica Nucleare - Firenze

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1 Introdzione all esperimento LHCb e all analisi dei dati. Lcio Anderlini Istitto Nazionale di Fisica Ncleare Firenze Lcio Anderlini (INFN Firenze) 5 aprile 2017 Sesto Fiorentino 1

2 Predizione dell antimateria Meccanica Relativistica Erwin Schrodinger, 1926 Albert Einstein, 1905 Meccanica Qantistica Meccanica Qantistica Relativistica Apparente difetto: presenta solzioni ad energia negativa... Pal A. M. Dirac, 1929 Lcio Anderlini (INFN Firenze) 5 aprile 2017 Sesto Fiorentino 2

3 Predizione dell antimateria Meccanica Relativistica Erwin Schrodinger, 1926 Albert Einstein, 1905 Meccanica Qantistica Meccanica Qantistica Relativistica Apparente difetto: presenta solzioni ad energia negativa... Solzioni a energia negativa descriverebbero bene elettroni di carica positiva che però non conosciamo... Pal A. M. Dirac, 1929 Lcio Anderlini (INFN Firenze) 5 aprile 2017 Sesto Fiorentino 3

4 Osservazione dell antimateria Stdio dei raggi cosmici con n campo magnetico. La traccia crva dalla parte sbagliata! elettrone C Anderson 1932 La Forza di Lorentz positrone è opposta per cariche opposte Lcio Anderlini (INFN Firenze) 5 aprile 2017 Sesto Fiorentino 4

5 Applicazioni tecnologiche dell antimateria, oggi. + PET scanner PET = Positron Emission Tomography LHC Lcio Anderlini (INFN Firenze) 5 aprile 2017 Sesto Fiorentino 5

6 Mesoni K netri: oscillazioni Mesone K (o kaone) netro d rk a q d s ark Mesone antik netro d rk a tiq d an s s q ti an K0 ark q s K0 Simmetria di CP I mesoni K possono trasformarsi in mesoni antik: K0 K0 K0 K0 TEMPO Lcio Anderlini (INFN Firenze) 5 aprile 2017 Sesto Fiorentino 6

7 Piccolissime differenze tra materia e antimateria (asimmetrie) Mesone K (o kaone) netro d rk a q d s ark Mesone antik netro d rk a tiq d an s s q ti an Violazione della mesoni K Cronin e Fitch, 1964 K0 Stato qantistico tempo Fascio pro di mesoni K0 s Simmetria di CP Fascio pro di 0 ark q a prevalenza di K0 K0 Stato qantistico tempo a prevalenza di K0 TEMPO Lcio Anderlini (INFN Firenze) 5 aprile 2017 Sesto Fiorentino 7

8 Come è possibile? Con i soli qark p, down, strange e charm (i soli noti al tempo) NON è possibile! fnzionerebbe con de qark in più chiamiamoli top & bottom Kobayashi e Maskawa, 1968 Lcio Anderlini (INFN Firenze) 5 aprile 2017 Sesto Fiorentino 8

9 e infatti... Osservato il primo adrone con n qark b, agosto 1977 Osservato il qark top marzo 1995 (esperimento CDF) Lcio Anderlini (INFN Firenze) 5 aprile 2017 Sesto Fiorentino 9

10 Gli effetti di violazione di CP nei mesoni B Per la prima volta gli effetti della violazione CP sono così evidenti da poter essere apprezzati ad occhio ndo. Esperimento LHCb, 2013 Lcio Anderlini (INFN Firenze) 5 aprile 2017 Sesto Fiorentino 10

11 Perché è ancora interessante? Le stesse qantità di materia e antimateria sono state prodotte nel bigbang eppre oggi c è solo materia Che fine ha fatto l antimateria? Lcio Anderlini (INFN Firenze) 5 aprile 2017 Sesto Fiorentino 11

12 Ricapitolando... Negli ltimi 100 anni è stata: predetta l antimateria scoperta l antimateria osservata asimmetria tra materia e antimateria predette nove particelle in virtù di qelle asimmetrie trovate qelle particelle osservate asimmetrie ancora maggiori in qelle particelle DISCOVERY AHEAD ma non basta a spiegare la prevalenza di materia nell Universo, se immaginiamo n BigBang eqilibrato... Lcio Anderlini (INFN Firenze) 5 aprile 2017 Sesto Fiorentino 12

13 La violazione di CP nei mesoni charm è molto piccola e non è ancora stata osservata. Tra le ragioni, c è la vita media troppo breve dei mesoni charm. Nell esercizio di oggi pomeriggio misreremo la vita media di n particolare mesone charm: il mesone D0 e il so mesone antid0 Mesone D netro d rk a q Mesone antid netro d rk a tiq n c a c s ark q ti an rk a s q Simmetria di CP Lcio Anderlini (INFN Firenze) 5 aprile 2017 Sesto Fiorentino 13

14 Rivelazione e stdio delle particelle con n rivelatore moderno L esperimento LHCb al CERN Lcio Anderlini (INFN Firenze) 5 aprile 2017 Sesto Fiorentino 14

15 Rivelatori di particelle Occhio Rivelatore di fotoni Segnale elettrico sl nervo ottico Ttti I rivelatori di particelle fnzionano con lo stesso principio: le particelle rilasciano la loro energia nel rivelatore dove viene trasformata in n segnale elettrico Fotocamera digitale Rivelatore di fotoni Segnale elettrico sl CCD TAC Rivelatore di fotoni Segnale elettrico da rivelatori a cristalli Lcio Anderlini (INFN Firenze) 5 aprile 2017 Sesto Fiorentino Contatore Geiger Rivelatore di elettroni, particelle alfa, etc. Segnale elettrico ionizzando n gas 15

16 L esperimento LHCb Lcio Anderlini (INFN Firenze) 5 aprile 2017 Sesto Fiorentino 16

17 Lcio Anderlini (INFN Firenze) 5 aprile 2017 Sesto Fiorentino 17

18 Il rivelatore come insieme di rivelatori Magnete per crvare le particelle e misrarne l implso Rivelatore di vertice Per individare I decadimenti di particelle instabili Lcio Anderlini (INFN Firenze) Rivelatore di tracce: ricostrisce le traiettorie delle particelle Rivelatore Cherenkov: permette di riconoscere il tipo di particella 5 aprile 2017 Sesto Fiorentino Rivelatore di moni Calorimetri: misrano l energia delle particelle 18

19 Come si riconoscono le particelle? μ μ (Z0) (Z0) e e Possibile decadimento di n bosone di Higgs registrato nel 2011 ad LHC Le impronte digitali delle particelle sono: la massa; i prodotti di decadimento. In qesto esempio: 2 particelle Z0: na decade in 2 moni e na in 2 elettroni. (potrebbero provenire da n bosone di Higgs!) Lcio Anderlini (INFN Firenze) 5 aprile 2017 Sesto Fiorentino 19

20 Qesto evento contiene n decadimento come qellio ricordato prima dove si sono formate de particelle (K, π) che lasciano de tracce nell esperimento: sapreste trovarle? Oggi imparerete come fare! Lcio Anderlini (INFN Firenze) 5 aprile 2017 Sesto Fiorentino 20

21 Il mesone D 0 Il mesone D0 è no stato legato di n qark charm e n antiqark p. Esiste n mesone D0 composto di n qark p e n antiqark charm. D0 e D0 sono l na l antiparticella dell altra. p c charm t top d down s strange b bottom p c charm t top d down s strange b bottom c Il mesone D0 c Il mesone D0 Lcio Anderlini (INFN Firenze) 5 aprile 2017 Sesto Fiorentino 21

22 Prodzione dei mesoni D 0 Collisioni protone protone Energia: 7 TeV Energia: 7 TeV d d d d Collisione Prodzione di qark b Adronizzazione D0 prompt Lcio Anderlini (INFN Firenze) c c 5 aprile 2017 Sesto Fiorentino D0 da b 22

23 Modi di prodzione Lcio Anderlini (INFN Firenze) 5 aprile 2017 Sesto Fiorentino 23

24 Screenshot dell interfaccia web del Particle Physics Booklet Modi di decadimento Lcio Anderlini (INFN Firenze) K+ D0 π 5 aprile 2017 Sesto Fiorentino 24

25 Ricostrzione. Bicchiere 100 g 2 bicchieri 100 g l no Bicchiere 100 g Ma che sccede se rimettete insieme i pezzi a caso? Lcio Anderlini (INFN Firenze) 5 aprile 2017 Sesto Fiorentino 25

26 Ricostrzione In qesta collisione e stato prodotto n D0 che poi e decadto in de particelle pi leggere. Fascio di protoni 2 D0 Per ricostrirlo dobbiamo individare le tracce delle de particelle e riassemblarle Vertice di interazione protoneprotone E se scelgo male? Sccede Chiamiamo segnale i candidati selezionati realmente prodotti nel decadimento di n D0, fondo gli altri: combinazioni casali di particelle. Lcio Anderlini (INFN Firenze) Fascio di protoni 1 SELEZIONE 5 aprile 2017 Sesto Fiorentino 26

27 Selezione Per separare il segnale dal fondo dobbiamo tilizzare proprieta delle particelle che ci permettano di distingere qelle giste da qelle sbagliate Ad esempio, se volete stdiare le proprieta delle mele e avete a disposizione n cesto di frtta assortita, sceglierete le mele in base alla forma, al colore, al peso, al diametro etc. Per le particelle si tilizzano grandezze come: Massa Qantita di moto Parametro d impatto Tempo di decadimento Lcio Anderlini (INFN Firenze) 5 aprile 2017 Sesto Fiorentino 27

28 Massa Sfrttando le leggi di conservazione dell energia e della qantita di moto, la massa del mesone D0 po essere misrata a partire dalle particelle in ci esso decade Errore sperimentale Misrando la massa di molti D0 si ottiene la distribzione a destra Il valore pi preciso misrato e : m(d0) = ± MeV/c2 Lcio Anderlini (INFN Firenze) 5 aprile 2017 Sesto Fiorentino 28

29 Qantità di moto Le particelle cariche che si movono in campo magnetico sono sottoposte alla forza di Lorentz, che le devia in modo dipendente dalla loro qantità di moto. Stdiando la deviazione in campo magnetico si determina la qantità di moto delle particelle. Particelle più lente sono deviate di n angolo maggiore. Disponiamo qindi di rivelatori di posizione delle particelle cariche immediatamente prima ed immediatamente dopo il magnete. PT Traccia Rivelatori di tracce Lcio Anderlini (INFN Firenze) B Rivelatori di tracce 5 aprile 2017 Sesto Fiorentino PZ Piccola qantità di moto Grande qantità di moto 29 29

30 Parametro d impatto Tracce provenienti direttamente dalla collisione tra i protoni p p Fascio di LHC Parametro d impatto (Impact Parameter: IP) Tracce provenienti dal decadimento di na particella instabile come il D0 Lcio Anderlini (INFN Firenze) 5 aprile 2017 Sesto Fiorentino 30

31 Vita media Se ho n nmero N0 particelle instabili (ad es.: nclei radioattivi, mesone D 0) ad n tempo iniziale t0, dopo n tempo t, a casa delle disintegrazioni, me ne sono rimaste N = N0 e(tt0)/τ τ è il valore medio di qesta distribzione e prende il nome di vita media o tempo di vita media. Da esperimenti precedenti sappiamo che la vita media del D0 è di circa mezzo picosecondo. Lcio Anderlini (INFN Firenze) 5 aprile 2017 Sesto Fiorentino 31

32 Tempi in scala semilog Percio la probabilita che na particella moia, in fnzione del tempo e esponenziale Tempo di decadimento degli mani Scala semilogaritmica Scala lineare Nmero di D0 Nmero di D Pendenza: 1 /τ Tempo di decadimento misrato [.a.] Lcio Anderlini (INFN Firenze) Tempo di decadimento misrato [.a.] 5 aprile 2017 Sesto Fiorentino 32

33 Dopo pranzo imparerete a tilizzare I dati raccolti da LHCb e effetterete na misra di na importante grandezza fisica proprio come veri fisici delle particelle! Lcio Anderlini (INFN Firenze) 5 aprile 2017 Sesto Fiorentino 33