LHCb. - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo

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1 LHCb [Thanks to F. Alessio, A. Carbone, R. Forty, J. Rademacker for some material] - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo

2 CERN Alpes Lac Léman Genève ATLAS Jura +LHCf ALICE CMS +TOTEM - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo

3 LEP e CERN - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo

4 LEP e CERN LA LUNA LEP a mezzanotte e circa ~300 µm piu lungo che a mezzogiorno e ± vedono meno campo magnetico E e piu piccola - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo

5 LHCb - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo

6 LHCb Muon detector Calorimeters RICH-2 OT Magnet RICH-1 VELO - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo

7 LHCb p Apertura laterale dei rivelatori p Punto di collisione dei fasci di protoni - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo

8 LHC per la prima volta a 13 TeV - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo

9 LHCb p p B p p - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo

10 Punto di collisione e beam pipe ~ 300 mrad p p 10 mrad! - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo

11 VELO! - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo

12 VELO Fascio di protoni - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo

13 VELO R 4 cm Beam Axis 100 cm - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo

14 Peso = 1600 t Potenza = 4200 kw Magnete Acqua di raffreddamento = l/h! - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo

15 RICH: Ring Imaging CHerenkov! - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo

16 Effetto Cherenkov - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo

17 Effetto Cherenkov - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo

18 OT: Outer Tracker! - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo

19 Calorimetro e h! - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo

20 Muon System muon! - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo

21 Event display - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo

22 International Masterclasses (LNF) 16 marzo 2017 Misura della vita media del mesone D 0 a LHCb M. Rotondo, B. Sciascia, R. Vazquez Gomez (LNF-INFN) 22

23 Materia e Antimateria D 0 meson Charm quark Up anti-quark - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo

24 Materia e Antimateria anti-d 0 meson Charm anti-quark Up quark - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo

25 Decadimenti radioattivi - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo

26 Probabilità di decadimento - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo

27 Tempi di dimezzamento e vita media N = N 0 e t τ τ = T 1/2 ln2 = T 1/ Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo

28 Cinematica Vita media: t ~ 0.4 ps Velocità: v ~ c (0.9992) Lunghezza: classica: v t ~ 0.12 mm relativistica: ~ 3 mm - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo

29 Evento a LHCb y x - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo

30 Particle Data Group 2 m D 0 = m K 2 + m π m K 2 + p K 2 m π 2 + p π 2 2 p K p π cosϑ - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo

31 !" "!" F = qv B [se v e B perpendicolari] Misura dell impulso F = qvb F = ma a = v2 R qvb = m v2 R R = p qb B field x z D 0 K - /π - Fascio di protoni Fascio di protoni K + /π + - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo

32 Evento a LHCb Punto di collisione Fascio di protoni Fascio di protoni y x z - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo

33 Identificazione delle particelle - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo

34 Charm and Beauty - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo

35 International Masterclasses (LNF) 16 marzo 2017 Misura della vita media del mesone D 0 a LHCb M. Rotondo, B. Sciascia, R. Vazquez Gomez (LNF-INFN) [Almost all slides from A. Carbone]

36 L ESERCIZIO DI OGGI

37 Obiettivi dell esercizio I obiettivo: riempire un istogramma con eventi di massa del D 0, selezionando un K e un π per ogni evento 3

38 I OBIETTIVO! Il programma visualizza le tracce ricostruite dopo una interazione protone-protone in LHCb! Dovete trovare tra tutte le tracce di un evento! una coppia K - e un π + (o un K + π - )! la cui misura degli impulsi quando opportunamente combinata ha un valore di massa prossimo a quello della massa del D 0! Il punto in cui le tracce K - e un π + si intersecano (vertice di decadimento) sia distaccato dal vertice primario (quella da cui vengono la maggior parte delle tracce) 4

39 I OBIETTIVO Quando abbiamo riconosciuto molti eventi, li salviamo e facciamo un istogramma della massa, cosa otteniamo? 5

40 (che cosa è un istogramma?) Se facciamo n misure di una stessa grandezza, possiamo classificarla in bin. Un bin è un rettangolo del grafico Se misuro x = -0.2 aumento di una unità il bin 6 all interno dell intervallo di L altezza di un rettangolo 6 rappresenta il numero di volte che la mia misura è all interno della larghezza della base del bin 6 Istogramma a 13 bin

41 I OBIETTIVO 7

42 Obiettivi dell esercizio I obiettivo: riempire un istogramma con eventi di massa del D 0, selezionando un K e un π per ogni evento II obiettivo: misurare il valore della massa del D 0 8

43 II OBIETTIVO Gli eventi da voi raccolti sono troppo pochi per fare una misura precisa. Il programma vi fornisce un istogramma con più eventi Ogni misura ha sempre un errore Per diminuire l errore bisogna aumentare il numero di misure m (D 0 ) = ( ± 0.17) MeV/c 2 9

44 L esercizio La distribuzione mostra due andamenti FONDO 10

45 Come si rivela un D 0? La distribuzione mostra due andamenti SEGNALE 11

46 II OBIETTIVO Adattare (fare un fit) un modello parametrico per il SEGNALE " Gaussiana FONDO " Retta σ 1 2π e ( x µ ) 2 2σ 2 La procedura di fit cerca i valori dei parametri che meglio si adattano ai dati Il valore del parametro µ è la misura di massa del D 0 12

47 II OBIETTIVO Adattare (fare un fit) un modello parametrico per il SEGNALE " Gaussiana FONDO " Retta σ 1 2π e ( D 0 invariant mass mean) 2 2σ 2 La procedura di fit cerca i valori dei parametri che meglio si adattano ai dati Il valore del parametro µ è la misura di massa del D 0 Confrontiamo il valore con quello del PDG 13

48 Obiettivi dell esercizio I obiettivo: riempire un istogramma con eventi di massa del D 0, selezionando un K e un π per ogni evento II obiettivo: misurare il valore della massa del D 0 III obiettivo: fare l istogramma della tempo di decadimento, dell impulso trasverso e del parametro d impatto per il SEGNALE e per il FONDO 14

49 III OBIETTIVO σ Selezioniamo la regione di FONDO e di SEGNALE La regione di SEGNALE può essere definita come 3 volte la larghezza della Gaussiana (σ ) che abbiamo ottenuto dal fit di prima In 3 σ è contenuto il 99.% del SEGNALE 15

50 III OBIETTIVO Misurando la distanza di volo del D 0, possiamo fare l istogramma del tempo di decadimento come suggerito da Albert! K t = x γβc = x pc m L D 0 π 16

51 III OBIETTIVO L impulso trasverso P T K P D 0 π Il D 0 ha un elevato impulso trasverso 17

52 III OBIETTIVO Parametro di Impatto (IP) Piccolo IP Grande IP Obiettivi dell esercizio P T K π 18

53 Obiettivi dell esercizio I obiettivo: riempire un istogramma con eventi di massa del D 0, selezionando un K e un π per ogni evento II obiettivo: misurare il valore della massa del D 0 III obiettivo: fare l istogramma della tempo di decadimento, dell impulso trasverso e del parametro d impatto per il SEGNALE e per il FONDO IV: Misurare la vita media del D 0 19

54 IV OBIETTIVO N = N 0 e t τ Adattiamo la curva che descrive l andamento del tempo di decadimento all istogramma del tempo di decadimento del SEGNALE e ottenendo la misura di τ Confrontiamo il valore con quello del PDG è corretto? 20

55 Obiettivi dell esercizio I obiettivo: riempire un istogramma con eventi di massa del D 0, selezionando un K e un π per ogni evento II obiettivo: misurare il valore della massa del D 0 III obiettivo: fare l istogramma della tempo di decadimento, dell impulso trasverso e del parametro d impatto per il SEGNALE e per il FONDO IV: Misurare la vita media del D 0 V: Grafico dell andamento della vita media in funzione del parametro d impatto 21

56 V OBIETTIVO Rimuoviamo gli eventi con parametro d impatto più grande, cosa succede? 22

57 V OBIETTIVO Il valore della vita media diminuisce. Perché? 23

58 Produzione del D 0 Quindi riassumendo il D 0 può essere prodotto nell interazione protone-protone: Produzione diretta Produzione dal decadimento di una particella (mesone) B - B - B. Sciascia (LNF) -- LHCb MasterClass

59 V OBIETTIVO Abbiamo rimosso i D 0 che sono decaduti da B 0. Per questi eventi il tempo misurato è la somma del tempo di decadimento del B 0 più quella del D 0 Il valore di τ è più simile a quello del PDG, ma altri errori sistematici non sono stati considerati, per quello la nostra misura non è ancora compatibile con quella del PDG 25

60 La particella (il mesone) D 0 Il D 0 è costituito da un quark up e un quark charm charm D 0 anti-up B. Sciascia (LNF) -- LHCb MasterClass

61 La particella (il mesone) D 0 E una particella instabile e dopo un certo tempo decade... charm D 0 anti-up B. Sciascia (LNF) -- LHCb MasterClass

62 La particella (il mesone) D 0... in un kaone negativo e un pione positivo antidown π + strange K - up anti-up pione positivo B. Sciascia (LNF) -- LHCb MasterClass kaone negativo 28

63 Perché decade? charm D 0 anti-up B. Sciascia (LNF) -- LHCb MasterClass

64 Perché decade? anti-up B. Sciascia (LNF) -- LHCb MasterClass

65 Perché decade? anti-up B. Sciascia (LNF) -- LHCb MasterClass

66 Perché decade? anti-up B. Sciascia (LNF) -- LHCb MasterClass

67 Perché decade? anti-up B. Sciascia (LNF) -- LHCb MasterClass

68 Perché decade? W + strange Bosone mediatore della forza elettrodebole anti-up B. Sciascia (LNF) -- LHCb MasterClass

69 Perché decade? W + strange Bosone mediatore della forza elettrodebole anti-up B. Sciascia (LNF) -- LHCb MasterClass

70 Perché decade? antidown strange up anti-up B. Sciascia (LNF) -- LHCb MasterClass

71 Perché decade? antidown π + up pione positivo strange anti-up K - kaone negativo B. Sciascia (LNF) -- LHCb MasterClass

72 Come descriviamo questo processo noi fisici? B. Sciascia (LNF) -- LHCb MasterClass

73 Alla ricerca di D 0 Per misurare la vita media del D 0 dobbiamo rivelare i D 0, ma prima di cercarli devono essere prodotti Come vengono prodotti? protone protone 39

74 Alla ricerca di D 0 40

75 Alla ricerca di D 0 41

76 Alla ricerca di D 0 42

77 Alla ricerca di D 0 43

78 Alla ricerca di D 0 44

79 Alla ricerca di D 0 charm anti-up anticharm e tanto altro!! 45

80 Alla ricerca di D 0 charm D 0 anti-up e tanto altro!!... è il resto della storia lo conosciamo! 46

81 Alla ricerca di D 0 beauty antibeauty down può anche accadere questo! 47

82 Alla ricerca di D 0 beuaty B - anti-up dalla interazione protone-protone si produce una particella chiamata B

83 Alla ricerca di D 0 beuaty B - anti-up... che dopo un po decade... 49

84 Alla ricerca di D 0 B - anti-up... che dopo un po decade... 50

85 Alla ricerca di D 0 W - Bosone mediatore della forza elettrodebole B 0 anti-up charm... nel bosone W

86 Alla ricerca di D 0 B 0 charm D 0 anti-up + altro si forma così il D 0 52