Scienziati del CERN per un giorno LHCb Masterclass - Cagliari Marianna Fontana 1 INFN Cagliari - CERN 18-26 Febbraio 2016 - Cagliari, Italy 1 Gran parte del materiale è stato prodotto da Andrea Contu (CERN), ispirandosi ad una presentazione di Angelo Carbone (INFN Bologna) M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 1 / 43
Programma del giorno Studieremo una delle teorie su cui si fonda la fisica moderna: la relatività ristretta di Einstein 2 Il tempo è relativo: un osservatore che studia un sistema che si muove a velocità prossima a quella della luce vede il tempo del sistema scorrere più lentamente rispetto al proprio 2 A. Einstein, Zur Elektrodynamik bewegter Körper in Annalen der Physik 17 (1905) M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 2 / 43
Cosa faremo? Misureremo la vita media di una particella chiamata mesone D 0 Vedremo Cosa è e di cosa è fatto un D 0 Cosa è la vita media di una particella Come si può misurare questa grandezza Ora cercheremo di trattare questi argomenti..con qualche approssimazione! M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 3 / 43
Cosa è il D 0? Come detto nella presentazione precedente Esistono 3 famiglie di quark I barioni sono particelle composte da tre quark o tre antiquark I mesoni sono particelle composte da un quark e un antiquark E possibile fare tante combinazioni di quark, per formare barioni e mesoni! Il mesone D 0 è una di queste, formato da un quark pesante, il quark c (detto anche charm) e un quark u leggero D 0 Esiste anche l anti-d 0, composto da cu Il D 0 è instabile e quindi decade (si trasforma) in particelle più leggere, più stabili Il tempo medio che passa da quando un D 0 viene prodotto a quando decade è la vita media M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 4 / 43
Cos è l instabilità? Molte particelle che conosciamo sono instabili. Generalmente più una particella è pesante più è instabile. Questa è la ragione per cui la materia ordinaria che osserviamo è composta soltanto da particelle della prima famiglia. Un esempio noto è il fenomeno della radioattività, dovuto a nuclei atomici instabili che si disintegrano spontaneamente in altri più stabili Decadimento β Questo è solo un esempio di decadimento, che potrebbe continuare perché non necessariamente i nuclei prodotti dopo il decadimento sono stabili. Quindi si possono avere catene di decadimento M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 5 / 43
Ma chi è il responsabile dei decadimenti? Ciò che avviene è la trasformazione di un neutrone in un protone + un elettrone + un anti-neutrino elettronico La forza responsabile è la forza debole mediata dalla particella W Uno dei quark d di un neutrone del nucleo si è trasformato in un quark u emettendo una particella W che decade subito in un elettrone e un neutrino M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 6 / 43
Il tempo di vita media - I Ciascun nucleo radiativo decadrà in tempi diversi rispetto agli altri (si può andare da frazioni di secondo a miliardi di anni) Ma non è possibile prevedere con esattezza quando decadrà questo singolo nucleo Tuttavia è possibile misurare quanto vivrà in media, dato un campione statistico di partenza abbastanza grande. Esempio: M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 7 / 43
Il tempo di vita media - I Ciascun nucleo radiativo decadrà in tempi diversi rispetto agli altri (si può andare da frazioni di secondo a miliardi di anni) Ma non è possibile prevedere con esattezza quando decadrà questo singolo nucleo Tuttavia è possibile misurare quanto vivrà in media, dato un campione statistico di partenza abbastanza grande. Esempio: Se lanciate un dado è impossibile prevedere il risultato M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 7 / 43
Il tempo di vita media - I Ciascun nucleo radiativo decadrà in tempi diversi rispetto agli altri (si può andare da frazioni di secondo a miliardi di anni) Ma non è possibile prevedere con esattezza quando decadrà questo singolo nucleo Tuttavia è possibile misurare quanto vivrà in media, dato un campione statistico di partenza abbastanza grande. Esempio: Se lanciate un dado è impossibile prevedere il risultato Se lanciate 1000 dadi contemporaneamente e fate la media dei risultati otterrete quasi sicuramente un numero vicino a 3.5 M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 7 / 43
Il tempo di vita media - I Ciascun nucleo radiativo decadrà in tempi diversi rispetto agli altri (si può andare da frazioni di secondo a miliardi di anni) Ma non è possibile prevedere con esattezza quando decadrà questo singolo nucleo Tuttavia è possibile misurare quanto vivrà in media, dato un campione statistico di partenza abbastanza grande. Esempio: Se lanciate un dado è impossibile prevedere il risultato Se lanciate 1000 dadi contemporaneamente e fate la media dei risultati otterrete quasi sicuramente un numero vicino a 3.5 Con un numero infinito di dadi la media sarà esattamente 3.5 M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 7 / 43
Il tempo di vita media - II Come per i dadi, immaginiamo di avere un numero molto grande di nuclei radioattivi, N 0 Non ci importa del singolo nucleo ma di quanti ce ne rimangono dopo un certo intervallo di tempo Definiamo il tempo di dimezzamento, t 1/2, come il tempo dopo il quale il numero dei nuclei iniziali si è ridotto della metà Il numero di nuclei non decaduti, N(t) diminuisce come una funzione esponenziale col passare del tempo: N(t) = N 0 e t τ τ è la vita media del nucleo ed è pari a τ = t 1/2 ln 2 t 1/2 0.693 M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 8 / 43
La vita media del D 0 - I Noi misureremo la vita media del mesone D 0 In generale il D 0 può decadere in diverse particelle Oggi studieremo un decadimento molto frequente che è quello in un mesone K (kaone) e un π + (pione) D 0 K π + M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 9 / 43
La vita media del D 0 - II A livello di particelle elementari è molto simile al decadimento β dei nuclei radioattivi Secondo voi quanto tempo impiega in media un D 0 a decadere? M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 10 / 43
Dove prendiamo i dati da analizzare? All esperimento LHCb del Centro Europeo per la Ricerca Nucleare (CERN) a Ginevra M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 11 / 43
A cosa serve LHCb? Gli scienziati che lavorano ad LHCb vorrebbero capire perche l Universo che osserviamo e costituito quasi totalmente di materia (particelle) e non anche di anti-materia (anti-particelle) Materia e anti-materia sarebbero dovute essere presenti in quantita uguali durante il Big-Bang Oggi sappiamo che in realta materia e antimateria non si comportano esattamente nello stesso modo, ma per ora non riusciamo a spiegare l enorme discrepanza che si osserva M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 12 / 43
LHCb dal vivo LHCb si trova in una caverna sotterranea in corrispondenza di un punto di LHC in cui i protoni vengono fatti scontrare M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 13 / 43
Per darvi un idea delle dimensioni M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 14 / 43
LHCb visto schematicamente Questo è il punto dove due protoni si scontrano (collidono) Viene chiamato punto di interazione M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 15 / 43
Una collisione vera Le collisioni vengono chiamate eventi e usiamo dei programmi particolari per visualizzarle A: Evento visto dall alto B: Evento visto come se si fosse a cavallo di un protone C: Ingrandimento della regione vicino alla collisione (qualche cm) M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 16 / 43
Alla ricerca di D 0 Per misurare la vita media del D 0 dobbiamo rivelarli, ma prima di cercarli devono essere prodotti I D 0 vengono prodotti in due modi M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 17 / 43
Alla ricerca di D 0 Per misurare la vita media del D 0 dobbiamo rivelarli, ma prima di cercarli devono essere prodotti I D 0 vengono prodotti in due modi protone protone M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 17 / 43
Alla ricerca di D 0 Per misurare la vita media del D 0 dobbiamo rivelarli, ma prima di cercarli devono essere prodotti I D 0 vengono prodotti in due modi M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 17 / 43
Alla ricerca di D 0 Per misurare la vita media del D 0 dobbiamo rivelarli, ma prima di cercarli devono essere prodotti I D 0 vengono prodotti in due modi M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 17 / 43
Alla ricerca di D 0 Per misurare la vita media del D 0 dobbiamo rivelarli, ma prima di cercarli devono essere prodotti I D 0 vengono prodotti in due modi Collisione M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 17 / 43
Alla ricerca di D 0 1. Per misurare la vita media del D 0 dobbiamo rivelarli, ma prima di cercarli devono essere prodotti I D 0 vengono prodotti in due modi I quark che costituiscono il D 0 vengono prodotti inizialmente liberi e insieme a una miriade di altre particelle Molte altre particelle M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 17 / 43
Alla ricerca di D 0 Per misurare la vita media del D 0 dobbiamo rivelarli, ma prima di cercarli devono essere prodotti I D 0 vengono prodotti in due modi D 0 A causa della forza forte i quark si legano tra loro per formare mesoni e barioni e se siamo fortunati un D 0 Molte altre particelle M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 17 / 43
Alla ricerca di D 0 Per misurare la vita media del D 0 dobbiamo rivelarli, ma prima di cercarli devono essere prodotti I D 0 vengono prodotti in due modi M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 17 / 43
Alla ricerca di D 0 2. Per misurare la vita media del D 0 dobbiamo rivelarli, ma prima di cercarli devono essere prodotti I D 0 vengono prodotti in due modi Invece di produrre quark c, possiamo produrre quark b! Molte altre particelle M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 17 / 43
Alla ricerca di D 0 Per misurare la vita media del D 0 dobbiamo rivelarli, ma prima di cercarli devono essere prodotti I D 0 vengono prodotti in due modi Che poi si legano a formare un mesone B e poi decadono lasciandoci ancora un D 0! Molte altre particelle M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 17 / 43
Produzione del D 0 : sommario Esistono due modi in cui si può produrre il mesone D 0 Subito dopo la collisione tra i protoni Passando prima per un decadimento di un mesone B M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 18 / 43
Come si rivela un D 0? Poiché il D 0 decade troppo in fretta, l unico modo di rivelarlo è andare a caccia dei suoi prodotti di decadimento: il K e il π + Ogni tipo di particella interagisce in modo diverso con la materia Un rivelatore di particelle è costituito da più parti, ciascuna in grado di misurare diverse caratteristiche delle particelle M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 19 / 43
Come si fa questo in LHCb? Vertexing Tracking PID Calorimetri Camere per muoni Vertice: punto di incrocio tra due tracce, che individua il punto in cui una particella decade M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 20 / 43
Come si riconoscono i prodotti di decadimento di un D 0? In ogni collisione si producono molte particelle, non è semplice riconoscere quelle giuste Una informazione che ci può aiutare è quella della massa del D 0 In fisica della particelle, per comodità, si usano unità di misura diverse da quelle del sistema internazionale La massa del D 0 è misurata con grande precisione m D 0 = 1864.86 ± 0.13 MeV/c 2 3 In unità di misura normali questo equivale a 3.1 10 27 Kg!! Ma prima vediamo come si misurano alcune quantità utili, che poi ci serviranno per controllare che massa ha il nostro D 0 e capire se è veramente un D 0 o no 3 Dal PDG, il libro sacro dei fisici delle particelle http://pdglive.lbl.gov/ M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 21 / 43
Impulso, o quantità di moto, di una particella In fisica classica l impulso è definito come p = m v La relatività speciale ci insegna che la fisica classica è un ottima approssimazione quando si ha a che fare con sistemi in cui v c La formula corretta (relativistica) è p = γ m v, γ = 1 1 v 2 /c 2 In relatività ristretta, l impulso di una particella cresce più velocemente quando essa si avvicina alla velocità della luce (che non può essere superata!) M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 22 / 43
Misura dell impulso di particelle cariche Una particella carica elettricamente che si muove in un campo magnetico è soggetta a una forza perpendicolare alla sua direzione di modo e quindi curva Forza di Lorentz: F = q v B Usando F = ma e a = v 2 /R (moto circolare) qvb = m v 2 R R = p/qb Dove R è il raggio di curvatura M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 23 / 43
Misura dell impulso di particelle cariche Il campo magnetico ci permette di capire se una particella è positiva o negativa misurare il suo impulso a partire dal raggio di curvatura M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 24 / 43
Misura della massa del D 0 I vari rivelatori in LHCb permettono di misurare l impulso di una particella e il suo tipo Ma avendo rivelato un K e un π +, come faccio a capire che vengono da un D 0? Dal loro impulso posso calcolare a che massa del D 0 corrisponderebbe md 2 = m 2 0 K + m2 π + 2 mk 2 + p2 K mπ 2 + pπ 2 2p K p π cos θ Il valore ottenuto per m D 0 ci permette di capire se i nostri K e π + vengono effettivamente da un D 0 e sono quindi SEGNALE, oppure se sono combinazioni casuali di K e π + prodotti direttamente dall interazione tra i protoni ma che niente hanno a che vedere con un D 0 e sono quindi FONDO In generale troveremo un misto di eventi di SEGNALE e di FONDO. Normalmente il FONDO è molto più grande del segnale. La massa invariante ci aiuterà a ridurre il FONDO per rendere il segnale più evidente, ma non è l unica arma... M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 25 / 43
Quanto spazio percorre un D 0? Ora devo rivelarvi il risultato dell esercizio, ma è per una buona causa... Il tempo medio di vita di un D 0 è (410.1 ± 1.5) 10 15 s Lo spazio percorso dipenderà anche dalla sua velocità, che alle energie in gioco a LHC possiamo benissimo assumere che sia praticamente la velocità della luce Lo spazio percorso x sarà quindi x c τ = 3.0 10 8 m/s 410 10 15 s = 155 µm Questa distanza è piccolissima, se il D 0 vola così poco non possiamo distinguere SEGNALE da FONDO M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 26 / 43
Quanto spazio percorre un D 0 secondo Einstein? Abbiamo detto che il D 0 si muove a velocità prossime a quelle della luce, ma senza pensarci troppo abbiamo usato una formula classica per calcolare quanto volasse Einstein ci insegna che la vita media che uno misurerebbe stando a cavallo del D 0 non è la stessa che uno misura a LHC La formula corretta è x = γ β c τ β = v c Quindi il D 0 vola molto di più! Considerando che a LHCb le particelle hanno tipicamente γβ = p/m 40, risulta che x = 0.6 cm E questa distanza è abbastanza grande da essere misurata a LHCb! M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 27 / 43
Riveliamo il D 0! Dall incrocio delle traiettorie del K e π + e dalla posizione del vertice primario (dato da una miriade di altre tracce nell evento) riusciamo a capire quanto spazio ha percorso il nostro candidato D 0 M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 28 / 43
L esercizio di oggi M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 29 / 43
Obiettivi 1 Riempire un istogramma contenente la massa del D 0, selezionando un K e un π + per ogni evento 2 Misurare il valore della massa del D 0 3 Fare l istogramma del tempo di vita media, dell impulso trasverso e del parametro d impatto per il SEGNALE e per il FONDO 4 Misurare la vita media del D 0 5 Grafico della vita media in funzione del paramtero d impatto massimo Nell esercizio considereremo anche anti-d 0 che decadono in un K + e un π (notate le cariche opposte) M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 30 / 43
Obiettivo 1 Il programma visualizza le tracce ricostruite dopo una interazione protone-protone in LHCb Tra tutte le tracce di un evento trovate: una coppia K π + (o K + π ) la cui misura degli impulsi opportunamente combinata restituisca un valore di massa vicino a quello del D 0 il punto in cui le due tracce si intersecano (dove il D 0 decade) sia distaccato dal vertice primario (quello da cui vengono la maggior parte delle tracce) Quando abbiamo riconosciuto molti eventi, li salviamo e facciamo un istogramma della massa, cosa otteniamo? M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 31 / 43
Cosa è un istogramma? Se facciamo un certo numero di misure della stessa quantità, possiamo classificarla in bin Ogni bin è un rettangolo nel grafico Se misuro per esempio 0.7, aumento di 1 l altezza del bin 8 L altezza del bin 8 rappresenta il numero di volte che ho ottenuto un numero compreso tra 0.5 e 1 M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 32 / 43
Obiettivo 1 - cosa dovreste ottenere M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 33 / 43
Obiettivo 2 Gli eventi raccolti nell obiettivo 1 sono troppo pochi per una misura precisa. Il programma vi fornisce un istogramma già riempito con tanti eventi Ogni bin ha una incertezza (statistica), infatti meno misure facciamo, più aumentano le fluttuazioni statistiche dovute al caso L incertezza diminuisce all aumentare del numero di misure Si dimostra che l incertezza statistica per un bin con N eventi è pari a N Quando il numero di misure è molto grande, l incertezza su ogni bin diminuisce e la forma dell istogramma si avvicina alla distribuzione della stessa variabile (ossia la forma che l istogramma avrebbe se ci fossero infiniti eventi e bin infinitamente stretti) M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 34 / 43
Obiettivo 2 - SEGNALE Nell istogramma è visibile una regione di SEGNALE M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 35 / 43
Obiettivo 2 - FONDO E due regioni di FONDO M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 36 / 43
Obiettivo 2 - Fit Adattare (fare un fit) un modello parametrico ai dati: Ipotizziamo che la forma dell istogramma se ci fosse solo SEGNALE sia descritto da una funzione Gaussiana y = 1 σ (x µ) 2 2π e 2σ 2 Ipotizziamo invece che la forma del FONDO sia una retta y = ax + b La procedura di fit cerca il valore dei parametri che meglio si adattano ai dati ll valore del parametro µ rappresenta la misura di m D 0 che vogliamo confrontare col PDG. M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 37 / 43
Obiettivo 3 - Regioni di segnale o fondo σ rappresenta la larghezza della Gaussiana (più il rivelatore è preciso più σ diventa piccola) Selezioniamo la regione di SEGNALE come quella contenuta entro 3 volte σ dal valore di m D 0 ottenuto, per le proprietà della Gaussiana, qui dentro dovrebbe esserci circa il 99% del SEGNALE Le regioni che rimangono saranno invece regioni di FONDO M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 38 / 43
Obiettivo 3 - Istogrammi di segnale e di fondo Avendo definito delle regioni, possiamo fare gli istogrammi di alcune variabili separando i due casi Impulso trasverso del D 0, ossia la componente dell impulso perpendicolare alla direzione dei protoni, i veri D 0 tendono ad averlo più grande rispetto al FONDO M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 39 / 43
Obiettivo 3 - Istogrammi di segnale e di fondo Avendo definito delle regioni, possiamo fare gli istogrammi di alcune variabili separando i due casi Parametro d impatto del D 0, IP, più complicato da descrivere. Se il D 0 è prodotto direttamente dalla collisione tra protoni, esso punta al vertice primario, ma questo non è sempre vero per i D 0 che vengono da B M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 39 / 43
Obiettivo 3 - Istogrammi di segnale e di fondo Avendo definito delle regioni, possiamo fare gli istogrammi di alcune variabili separando i due casi Finalmente, il tempo di vita media τ = L pc m M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 39 / 43
Obiettivo 4 - Misura della vita media del D 0 Ora facciamo un altro fit per adattare la funzione N = N 0 e t τ distribuzione del tempo di vita del SEGNALE alla M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 40 / 43
Obiettivo 4 - Misura della vita media del D 0 Ora facciamo un altro fit per adattare la funzione N = N 0 e t τ distribuzione del tempo di vita del SEGNALE alla Com è confrontata a quella del PDG? Abbiamo ottenuto il numero corretto? M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 40 / 43
Obiettivo 5 Che succede se rimuoviamo gli eventi con parametro di impatto grande? M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 41 / 43
Obiettivo 5 Che succede se rimuoviamo gli eventi con parametro di impatto grande? Il tempo di vita diminuisce al diminuire dell IP massimo permesso, perchè? M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 41 / 43
Produzione del D 0, vi ricordate? Esistono due modi in cui si può produrre il mesone D 0 Subito dopo la collisione tra i protoni Passando prima per un decadimento di un mesone B M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 42 / 43
Obiettivo 5 Rimuovendo eventi con grande IP abbiamo rimosso D 0 provenienti da B. Per questi eventi il tempo di decadimento misurato era la somma di quello del B e quello del D 0 e per questo ci veniva più grande Il valore di τ diviene più simile a quello del PDG ma non identico. Ci sono altri dettagli che non abbiamo considerato, la contaminazione dei D 0 da B è solo un assaggio! M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 43 / 43
Backup M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 44 / 43
Cosa è un mesone D 0? Partiamo dall atomo La materia che ci circonda è fatta di atomi che sono a loro volta composti da altre particelle più elementari Elettroni: particelle di carica negativa. Sono particelle elementari, ossia non hanno una struttura interna = non sono composti da niente di più elementare Nucleo, composto da: protoni: stessa carica elettrica degli elettroni ma positiva neutroni: carica elettrica nulla Il protone e il neutrone sono particelle composte da quark, che al momento si ritengono elementari (come gli elettroni) M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 45 / 43
Quark Che struttura hanno i neutroni e i protoni? Protone Neutrone Protoni e neutroni sono formati da quark up e down che hanno carica elettrica frazionaria di 2/3 e -1/3 rispettivamente e sono tenuti insieme dalla forza forte (gli atomi sono tenuti insieme dalla forza elettromagnetica) M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 46 / 43
Le antiparticelle Oltre all elettrone e ai quark up e down esistono delle altre particelle! Per esempio le antiparticelle: anti-elettrone (o positrone, e + ), anti-quark up (ū) e anti-quark down ( d) Le antiparticelle sono identiche alle particelle ma hanno carica elettrica opposta (semplificando parecchio le cose!) e possono formare stati legati anti-protone anti-neutrone M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 47 / 43
Pensate che è possibile fabbricare degli anti-atomi, aggiundendo degli M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 47 / 43 Le antiparticelle Oltre all elettrone e ai quark up e down esistono delle altre particelle! Per esempio le antiparticelle: anti-elettrone (o positrone, e + ), anti-quark up (ū) e anti-quark down ( d) Le antiparticelle sono identiche alle particelle ma hanno carica elettrica opposta (semplificando parecchio le cose!) e possono formare stati legati anti-protone anti-neutrone
Barioni e mesoni Particelle formate da tre quark (o tre anti-quark), come protone e neutrone, si chiamano genericamente barioni Particelle formate da un quark e un antiquark sono chiamate mesoni Un esempio di mesone è il pione (π) π + Esiste anche l antiparticella π, formata da ū e d! Secondo voi esiste anche il π 0? E da cosa è composto? Sembra che abbiamo fatto tutte le combinazioni di quark, e vi ho detto che il D 0 è un mesone. Può essere una combinazione di u e d? M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 48 / 43
Il Modello Standard Esistono molte altre particelle elementari che fanno parte del Modello Standard della fisica delle particelle Costituenti della materia M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 49 / 43
Il Modello Standard Esistono molte altre particelle elementari che fanno parte del Modello Standard della fisica delle particelle Costituenti della materia Quark M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 49 / 43
Il Modello Standard Esistono molte altre particelle elementari che fanno parte del Modello Standard della fisica delle particelle Costituenti della materia Quark Leptoni M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 49 / 43
Il Modello Standard Esistono molte altre particelle elementari che fanno parte del Modello Standard della fisica delle particelle Costituenti della materia Quark Leptoni 3 Famiglie Prima famiglia, materia ordinaria Particelle descritte finora + ν e (neutrino elettronico) M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 49 / 43
Il Modello Standard Esistono molte altre particelle elementari che fanno parte del Modello Standard della fisica delle particelle Costituenti della materia Quark Leptoni 3 Famiglie Seconda famiglia simile alla prima ma un po più pesante M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 49 / 43
Il Modello Standard Esistono molte altre particelle elementari che fanno parte del Modello Standard della fisica delle particelle Costituenti della materia Quark Leptoni 3 Famiglie Terza famiglia ancora più pesante M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 49 / 43
Il Modello Standard Esistono molte altre particelle elementari che fanno parte del Modello Standard della fisica delle particelle Costituenti della materia Quark Leptoni 3 Famiglie Particelle mediatrici di forza Fotone (γ): forza elettromagnetica W ± e Z: forza elettrodebole (responsabile della radioattività) Gluone g: forza forte, tiene insieme barioni e mesoni M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 49 / 43
Il Modello Standard Esistono molte altre particelle elementari che fanno parte del Modello Standard della fisica delle particelle Costituenti della materia Quark Leptoni 3 Famiglie Particelle mediatrici di forza Fotone (γ): forza elettromagnetica W ± e Z: forza elettrodebole (responsabile della radioattività) Gluone g: forza forte, tiene insieme barioni e mesoni Sapete cosa è il bosone di Higgs? M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 49 / 43