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

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1 Introduzione all esperimento LHCb e all analisi dei dati. Lucio Anderlini Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Firenze 8 febbraio 2017 Modena 1

2 Predizione dell antimateria Meccanica Relativistica Erwin Schrodinger, 1926 Albert Einstein, 1905 Meccanica Quantistica Meccanica Quantistica Relativistica Apparente difetto: presenta soluzioni ad energia negativa... Paul A. M. Dirac, febbraio 2017 Modena 2

3 Predizione dell antimateria Meccanica Relativistica Erwin Schrodinger, 1926 Albert Einstein, 1905 Meccanica Quantistica Meccanica Quantistica Relativistica Apparente difetto: presenta soluzioni ad energia negativa... Soluzioni a energia negativa descriverebbero bene elettroni di carica positiva che però non conosciamo... Paul A. M. Dirac, febbraio 2017 Modena 3

4 Osservazione dell antimateria Studio dei raggi cosmici con un campo magnetico. La traccia curva dalla parte sbagliata! La Forza di Lorentz è opposta per cariche opposte 8 febbraio 2017 Modena 4

5 Applicazioni tecnologiche dell antimateria, oggi. 8 febbraio 2017 Modena 5

6 Mesoni K neutri: oscillazioni Mesone K (o kaone) neutro d rk a qu d s ark Mesone antik neutro d rk a u tiq d an s s qu ti an K0 ark qu s K0 Simmetria di CP I mesoni K possono trasformarsi in mesoni antik: K0 K0 K0 K0 TEMPO 8 febbraio 2017 Modena 6

7 Piccolissime differenze tra materia e antimateria (asimmetrie) Mesone K (o kaone) neutro d rk a qu d s ark Mesone antik neutro d rk a u tiq d an s s qu ti an Violazione della mesoni K Cronin e Fitch, 1964 K0 Stato quantistico tempo Fascio puro di mesoni K0 s Simmetria di CP Fascio puro di 0 ark qu a prevalenza di K0 K0 Stato quantistico tempo a prevalenza di K0 TEMPO 8 febbraio 2017 Modena 7

8 Come è possibile? Con i soli quark up, down, strange e charm (i soli noti al tempo) NON è possibile! funzionerebbe con due quark in più chiamiamoli top & bottom Kobayashi e Maskawa, febbraio 2017 Modena 8

9 e infatti... Osservato il primo adrone con un quark b, agosto 1977 Osservato il quark top marzo 1995 (esperimento CDF) 8 febbraio 2017 Modena 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 nudo. Esperimento LHCb, febbraio 2017 Modena 10

11 Perché è ancora interessante? 8 febbraio 2017 Modena 11

12 Ricapitolando... Negli ultimi 100 anni è stata: predetta l antimateria scoperta l antimateria osservata asimmetria tra materia e antimateria predette nuove particelle in virtù di quelle asimmetrie trovate quelle particelle osservate asimmetrie ancora maggiori in quelle particelle DISCOVERY AHEAD ma non basta a spiegare la prevalenza di materia nell Universo, se immaginiamo un BigBang equilibrato... 8 febbraio 2017 Modena 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 misureremo la vita media di un particolare mesone charm: il mesone D0 e il suo mesone antid0 Mesone D neutro d rk a qu Mesone antid neutro d rk a u tiq n c a c u u s ark qu ti an rk ua s q Simmetria di CP 8 febbraio 2017 Modena 13

14 Rivelazione e studio delle particelle con un rivelatore moderno L esperimento LHCb al CERN 8 febbraio 2017 Modena 14

15 8 febbraio 2017 Modena 15

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19 8 febbraio 2017 Modena 19

20 π 8 febbraio 2017 Modena 20

21 Il mesone D 0 Il mesone D0 è uno stato legato di un quark charm e un antiquark up. Esiste un mesone D0 composto di un quark up e un antiquark charm. D0 e D0 sono l una l antiparticella dell altra. u up c charm t top d down s strange b bottom u up c charm t top d down s strange b bottom c u Il mesone D0 c u Il mesone D0 8 febbraio 2017 Modena 21

22 Produzione dei mesoni D 0 Collisioni protone protone u u Energia: 7 TeV u Energia: 7 TeV u d d u u u d d u Collisione Produzione di quark b Adronizzazione u D0 prompt c c u 8 febbraio 2017 Modena D0 da b 22

23 Modi di produzione 8 febbraio 2017 Modena 23

24 Screenshot dell interfaccia web del Particle Physics Booklet Modi di decadimento π 8 febbraio 2017 Modena 24

25 8 febbraio 2017 Modena 25

26 Ricostruzione In questa collisione e stato prodotto un D0 che poi e decaduto in due particelle piu leggere. Fascio di protoni 2 D0 Per ricostruirlo dobbiamo individuare le tracce delle due particelle e riassemblarle Vertice di interazione protoneprotone E se scelgo male? Succede Chiamiamo segnale i candidati selezionati realmente prodotti nel decadimento di un D0, fondo gli altri: combinazioni casuali di particelle. Fascio di protoni 1 8 febbraio 2017 Modena 26

27 Selezione Per separare il segnale dal fondo dobbiamo utilizzare proprieta delle particelle che ci permettano di distinguere quelle giuste da quelle sbagliate Ad esempio, se volete studiare le proprieta delle mele e avete a disposizione un cesto di frutta assortita, sceglierete le mele in base alla forma, al colore, al peso, al diametro etc. Per le particelle si utilizzano grandezze come: Massa Quantita di moto Parametro d impatto Tempo di decadimento 8 febbraio 2017 Modena 27

28 Massa Sfruttando le leggi di conservazione dell energia e della quantita di moto, la massa del mesone D0 puo essere misurata a partire dalle particelle in cui esso decade Misurando la massa di molti D0 si ottiene la distribuzione a destra Il valore piu preciso misurato e : m(d0) = ± MeV/c2 8 febbraio 2017 Modena 28

29 Quantità di moto Le particelle cariche che si muovono in campo magnetico sono sottoposte alla forza di Lorentz, che le devia in modo dipendente dalla loro quantità di moto. Studiando la deviazione in campo magnetico si determina la quantità di moto delle particelle. Particelle più lente sono deviate di un angolo maggiore. Disponiamo quindi di rivelatori di posizione delle particelle cariche immediatamente prima ed immediatamente dopo il magnete. 8 febbraio 2017 Modena 29

30 Parametro d impatto 8 febbraio 2017 Modena 30

31 Vita media Se ho un numero N0 particelle instabili (ad es.: nuclei radioattivi, mesone D 0) ad un tempo iniziale t0, dopo un tempo t, a causa delle disintegrazioni, me ne sono rimaste N = N0 e(tt0)/τ τ è il valore medio di questa distribuzione 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. 8 febbraio 2017 Modena 31

32 Tempi in scala semilog Percio la probabilita che una particella muoia, in funzione del tempo e esponenziale Scala semilogaritmica Scala lineare Numero di D0 Numero di D Pendenza: 1 /τ Tempo di decadimento misurato [u.a.] 8 febbraio 2017 Modena Tempo di decadimento misurato [u.a.] 32

33 8 febbraio 2017 Modena 33

34 Panini Ora siamo qui! Oggi pomeriggio ricominceremo qui Pizzeria Mensa Ristorante tipico Supermercato 8 febbraio 2017 Modena 34