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

LHCb [Thanks to F. Alessio, A. Carbone, R. Forty, J. Rademacker for some material] - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo 2017-1

LHC @ CERN Alpes Lac Léman Genève ATLAS Jura +LHCf ALICE CMS +TOTEM - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo 2017-2

LEP e LHC @ CERN - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo 2017-3

LEP e LHC @ 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 2017-4

LHCb - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo 2017-5

LHCb Muon detector Calorimeters RICH-2 OT Magnet RICH-1 VELO - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo 2017-6

LHCb p Apertura laterale dei rivelatori p Punto di collisione dei fasci di protoni - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo 2017-7

LHC per la prima volta a 13 TeV - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo 2017-8

LHCb p p B p p - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo 2017-9

Punto di collisione e beam pipe ~ 300 mrad p p 10 mrad! - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo 2017-10

VELO! - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo 2017-11

VELO Fascio di protoni - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo 2017-12

VELO R 4 cm Beam Axis 100 cm - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo 2017-13

Peso = 1600 t Potenza = 4200 kw Magnete Acqua di raffreddamento = 150.000 l/h! - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo 2017-14

RICH: Ring Imaging CHerenkov! - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo 2017-15

Effetto Cherenkov - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo 2017-16

Effetto Cherenkov - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo 2017-17

OT: Outer Tracker! - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo 2017-18

Calorimetro e h! - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo 2017-19

Muon System muon! - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo 2017-20

Event display - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo 2017-21

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

Materia e Antimateria D 0 meson Charm quark Up anti-quark - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo 2017-23

Materia e Antimateria anti-d 0 meson Charm anti-quark Up quark - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo 2017-24

Decadimenti radioattivi - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo 2017-25

Probabilità di decadimento - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo 2017-26

Tempi di dimezzamento e vita media N = N 0 e t τ τ = T 1/2 ln2 = T 1/2 0.693 - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo 2017-27

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 2017-28

Evento a LHCb y x - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo 2017-29

Particle Data Group 2 m D 0 = m K 2 + m π 2 + 2 m K 2 + p K 2 m π 2 + p π 2 2 p K p π cosϑ http://pdg.lbl.gov - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo 2017-30

!" "!" 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 2017-31

Evento a LHCb Punto di collisione Fascio di protoni Fascio di protoni y x z - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo 2017-32

Identificazione delle particelle - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo 2017-33

Charm and Beauty - Barbara Sciascia (INFN/LNF) - MasterClass (LNF) - 16 marzo 2017-34

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]

L ESERCIZIO DI OGGI

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

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

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

(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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 11 12 13 6

I OBIETTIVO 7

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

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 ) = (1864.84 ± 0.17) MeV/c 2 9

L esercizio La distribuzione mostra due andamenti FONDO 10

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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 2017-24

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

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 2017-26

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 2017-27

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 2017 - kaone negativo 28

Perché decade? charm D 0 anti-up B. Sciascia (LNF) -- LHCb MasterClass 2017-29

Perché decade? anti-up B. Sciascia (LNF) -- LHCb MasterClass 2017-30

Perché decade? W + strange Bosone mediatore della forza elettrodebole anti-up B. Sciascia (LNF) -- LHCb MasterClass 2017-34

Perché decade? W + strange Bosone mediatore della forza elettrodebole anti-up B. Sciascia (LNF) -- LHCb MasterClass 2017-35

Perché decade? antidown strange up anti-up B. Sciascia (LNF) -- LHCb MasterClass 2017-36

Perché decade? antidown π + up pione positivo strange anti-up K - kaone negativo B. Sciascia (LNF) -- LHCb MasterClass 2017-37

Come descriviamo questo processo noi fisici? B. Sciascia (LNF) -- LHCb MasterClass 2017-38

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

Alla ricerca di D 0 40

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

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

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

Alla ricerca di D 0 beuaty B - anti-up dalla interazione protone-protone si produce una particella chiamata B -... 48

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

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

Alla ricerca di D 0 W - Bosone mediatore della forza elettrodebole B 0 anti-up charm... nel bosone W -... 51

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