Fisica delle particelle oggi Il Modello Standard and Beyond

NewDark Fisica delle particelle oggi Il Modello Standard and Beyond - Bosone di Higgs - SuperSimmetria - Astroparticle & Materia Oscura Marco CIRELLI [CNRS LPTHE Jussieu] Mini-intro: - livello variabile - non storico - about MC

Cosa si fa al CERN Ricerca fondamentale in Fisica delle Particelle i costituenti elementari della materia le forze fondamentali che li governano l origine, il contenuto e la struttura dell Universo

Come risolvere questi problemi? o... Come si fanno le scoperte? Accelerare le particelle elementari (protoni, elettroni...) fino a energie elevatissime (14 TeV) e portarle a collidere. E=mc 2 Analizzare accuratamente i prodotti per scoprire nuove particelle, nuove forze, nuova fisica...

Ripercorrere all indietro la storia dell Universo

Modello Standard (della fisica delle particelle elementari)

Il Modello Standard è la costruzione ( scoperta ) fondamentale della fisica delle particelle, nella seconda metà del XX secolo. XIX secolo elettromagnetismo 1932 teoria di Fermi del decadimento beta - interazioni deboli 1960 s unificazione em-debole: teoria ElectroWeak (Glashow, Weinberg, Salam) 1981 scoperta bosoni W e Z (Rubbia) 1970 s teoria della QCD - interazioni nucleari forti (Gross, Politzer, Wilczek) 1936 1956 1962 1974 2000 µ e µ s 1968 quark 1974 c quark 1977 b quark 1995 quark t

recently observed When they meet, they annihilate

recently observed FORCES

FORCES recently observed Higgs boson h

Interazioni FORCES e νe u d µ νµ c s τ ντ recently observed t b Higgs boson h

Interazioni FORCES γ e νe u d µ νµ c s W + W - Z τ ντ recently observed t b g (8) Higgs boson h G

Interazioni (& simmetrie) γ FORCES e νe u d µ νµ c s W + W - Z τ ντ recently observed t b g (8) SUc(3) SUw(2) UY(1) SUc(3) Uem(1) Higgs boson h G

Interazioni (& simmetrie) γ FORCES e νe uuu ddd µ τ νµ ντ recently observed ccc sss ttt bbb W + W - Z g (8) SUc(3) SUw(2) UY(1) SUc(3) Uem(1) Higgs boson h G

Interazioni (& simmetrie) γ FORCES e νe uuu ddd W + W - µ τ νµ ντ recently observed ccc sss ttt bbb Z g (8) SUc(3) SUw(2) UY(1) SUc(3) Uem(1) colore e carica elettrica Higgs boson h G

Interazioni (& simmetrie) γ FORCES e νe uuu ddd W + W - µ τ νµ ντ recently observed ccc sss ttt bbb Z g (8) SUc(3) SUw(2) UY(1) SUc(3) Uem(1) colore e carica elettrica sapore barionico totale Higgs boson h G

Interazioni (& simmetrie) γ FORCES e νe uuu ddd W + W - µ τ νµ ντ recently observed ccc sss ttt bbb Z g (8) SUc(3) SUw(2) UY(1) SUc(3) Uem(1) colore e carica elettrica sapore barionico totale sapore leptonico individuale (ma: oscillazioni ν) Higgs boson h G

Interazioni (& simmetrie) γ FORCES e νe uuu ddd W + W - µ τ νµ ντ recently observed ccc sss ttt bbb Z g (8) Adroni: stati composti di quarks Higgs boson h G

Interazioni (& simmetrie) γ FORCES e νe uuu ddd W + W - µ τ νµ ντ recently observed ccc sss ttt bbb Z g (8) Adroni: stati composti di quarks p u u n u d d d barioni... Higgs boson h G

Interazioni (& simmetrie) γ FORCES e νe uuu ddd W + W - µ τ νµ ντ recently observed ccc sss ttt bbb Z g (8) Adroni: stati composti di quarks p u u n u d π ο d d... barioni u u κ + mesoni s u... Higgs boson h G

Masse KeV MeV GeV TeV

Masse KeV MeV GeV TeV e µ τ e 511 KeV µ 105.7 MeV τ 1.777 GeV

Masse KeV MeV GeV TeV e µ τ ud s c b t e 511 KeV µ 105.7 MeV τ 1.777 GeV u ~2.3 MeV d ~5 MeV s ~95 MeV c 1.27 GeV b 4.2 GeV t 173.2 GeV

Masse KeV MeV GeV TeV e µ τ ud s c b t W Z e 511 KeV µ 105.7 MeV τ 1.777 GeV u ~2.3 MeV d ~5 MeV s ~95 MeV c 1.27 GeV b 4.2 GeV t 173.2 GeV W ± 80.385 GeV Z 91.1876 GeV

Masse KeV MeV GeV TeV e µ τ ud s c b t W Z h e 511 KeV µ 105.7 MeV τ 1.777 GeV u ~2.3 MeV d ~5 MeV s ~95 MeV c 1.27 GeV b 4.2 GeV t 173.2 GeV W ± 80.385 GeV Z 91.1876 GeV h 125.7 GeV

Masse mev ν ν ν ev KeV MeV GeV TeV e µ τ ud s c b t W Z h e 511 KeV µ 105.7 MeV τ 1.777 GeV 9 10-3 ev νi 0.2 ev u ~2.3 MeV d ~5 MeV s ~95 MeV c 1.27 GeV b 4.2 GeV t 173.2 GeV W ± 80.385 GeV Z 91.1876 GeV h 125.7 GeV

Masse mev ν ν ν ev γ g G massa zero: p 238 U KeV MeV GeV TeV e µ u s d τ c b t W Z h e 511 KeV µ 105.7 MeV τ 1.777 GeV 9 10-3 ev νi 0.2 ev u ~2.3 MeV d ~5 MeV s ~95 MeV c 1.27 GeV b 4.2 GeV t 173.2 GeV W ± 80.385 GeV Z 91.1876 GeV h 125.7 GeV

Lagrangiana del Modello Standard Credit: Flip Tanedo, QuantumDiaries.org

Esempio 1: collisione e + e - (semirigoroso)

Esempio 1: collisione e + e - (semirigoroso) e + LEP 105 GeV e -

Esempio 1: collisione e + e - (semirigoroso) e + LEP 105 GeV Z e -

Esempio 1: collisione e + e - (semirigoroso) e + µ + LEP 105 GeV Z e - µ -

Esempio 1: collisione e + e - (semirigoroso) e + µ + LEP 105 GeV Z carica elettrica sapore leptonico indiv. e - µ -

Esempio 1: collisione e + e - (semirigoroso) e + µ + LEP 105 GeV Z carica elettrica sapore leptonico indiv. e - µ - La risonanza tradisce la produzione del mediatore. Magari scopriremo così un nuovo mediatore. Domande per i più motivati: perché la sezione d urto e + e - hadrons è più grande di quella e + e - µ + µ -? sai calcolare a priori il rapporto? e perché quella e + e - γγ si comporta diversamente?

Esempio 1: collisione e + e - (semirigoroso) e + τ + LEP 105 GeV Z carica elettrica sapore leptonico indiv. e - τ -

Esempio 1: collisione e + e - (semirigoroso) e + νe LEP 105 GeV Z carica elettrica sapore leptonico indiv. e - νe

Esempio 1: collisione e + e - (semirigoroso) LEP 105 GeV e + Z νe, νµ, ντ carica elettrica sapore leptonico indiv. e - νe, νµ, ντ

Esempio 1: collisione e + e - (semirigoroso) LEP 105 GeV e + e - Z u u carica elettrica sapore leptonico indiv. colore sapore barionico tot.

Esempio 1: collisione e + e - (semirigoroso) LEP 105 GeV e + e - Z u, d, s, c, b 3 carica elettrica sapore leptonico indiv. colore sapore barionico tot. u, d, s, c, b 3

Esempio 1: collisione e + e - (semirigoroso) LEP 105 GeV e + e - Z e +, µ +, τ +, νe, νµ, ντ u, d, s, c, b 3 carica elettrica sapore leptonico indiv. colore sapore barionico tot. u, d, s, c, b 3 e +, µ +, τ +, νe, νµ, ντ

Esempio 1: collisione e + e - (semirigoroso) LEP 105 GeV e + e - La larghezza della Z permette di determinare il numero di famiglie: più canali aperti = decadimento più veloce = più larga Z e +, µ +, τ +, νe, νµ, ντ u, d, s, c, b 3 carica elettrica sapore leptonico indiv. colore sapore barionico tot. u, d, s, c, b 3 e +, µ +, τ +, νe, νµ, ντ 3 famiglie! (a meno che il quarto neutrino non abbia massa > ~45 GeV)

Esempio 2: collisione pp (semirigoroso)

Esempio 2: collisione pp (semirigoroso) TeVatron 2 TeV p uu d p u u d

Esempio 2: collisione pp produzione di quark top (semirigoroso) TeVatron 2 TeV p uu d W + t p u u d b Nota: non è il canale più efficace per produrre un top quark al TeVatron, ma vabbè.

Esempio 2: collisione pp produzione di quark top (semirigoroso) TeVatron 2 TeV p uu d W + t carica elettrica colore sapore barionico tot. p u u d b Nota: non è il canale più efficace per produrre un top quark al TeVatron, ma vabbè.

Esempio 2: collisione pp produzione di quark top (semirigoroso) TeVatron 2 TeV p uu d W + t carica elettrica colore sapore barionico tot. p u u d b Ogni q porta una frazione del momento del p: serve una grande energia. Magari scopriremo così una nuova particella pesante (un nuovo quark?).

Esempio 2b: collisione pp produzione di quark top (semirigoroso) LHC 14 TeV p uu d W + t p u u d b

Esempio 2b: collisione pp produzione di quark top (semirigoroso) LHC 14 TeV p uu d W + t?!? carica elettrica colore sapore barionico tot. p u u d b

Esempio 2b: collisione pp produzione di quark top (semirigoroso) LHC 14 TeV p uu d W + t carica elettrica colore sapore barionico tot. g p u cc g g d ss cc bb g g d u d g b Un protone contiene quarks, antiquarks di tutti i sapori (del mare, vs valenza), e gluoni, secondo una certa distribuzione di probabilità, funzione dell energia.

Esempio 2b: collisione pp produzione di quark top (semirigoroso) p uu d t LHC 14 TeV g g carica elettrica colore sapore barionico tot. g p u cc g g d ss cc bb g g d u d g g t Un protone contiene quarks, antiquarks di tutti i sapori (del mare, vs valenza), e gluoni, secondo una certa distribuzione di probabilità, funzione dell energia. By the way, ecco uno dei canali più efficaci per produrre un top quark a LHC.

Esempio 3: collisione pp produzione di higgs (semirigoroso) p uu d LHC 14 TeV g t t t h carica elettrica colore sapore barionico tot. p u u d g

Esempio 3: collisione pp produzione di higgs (semirigoroso) p uu d LHC 14 TeV g t t h carica elettrica colore sapore barionico tot. u u d g p Loop

Esempio 3: collisione pp produzione di higgs (semirigoroso) p uu d LHC 14 TeV g t t yt h carica elettrica colore sapore barionico tot. p u u d g Loop accoppiamento

Esempio 4: decadimento del muone (piuttosto rigoroso: ma per i dettagli ci vorrebbe un intero corso di QFT!)

Esempio 4: decadimento del muone (piuttosto rigoroso: ma per i dettagli ci vorrebbe un intero corso di QFT!) νµ µ - W - νe e -

Esempio 4: decadimento del muone (piuttosto rigoroso: ma per i dettagli ci vorrebbe un intero corso di QFT!) µ - L ' W - νµ νe e - 1 4 F µ F µ +i /D +y ij i j + D µ 2 V ( )

Esempio 4: decadimento del muone (piuttosto rigoroso: ma per i dettagli ci vorrebbe un intero corso di QFT!) µ - L ' W - νµ νe e - = µ µ /D = D 1 4 F µ F µ +i /D +y ij i j + D µ 2 V ( ) µ 1 5 = µ L 2 ip g 0 0 W 2 1 0

Esempio 4: decadimento del muone (piuttosto rigoroso: ma per i dettagli ci vorrebbe un intero corso di QFT!) µ - L ' W - νµ νe e - 1 4 F µ F µ +i /D +y ij i j + D µ 2 V ( ) µ µ 1 5 = = µ µ L 2 /D = D i g 0 0 p W 2 1 0 ' µ ip g (1 5)W µ 2

Esempio 4: decadimento del muone (piuttosto rigoroso: ma per i dettagli ci vorrebbe un intero corso di QFT!) µ - L ' i g p 2 (1 5) W - i g p 2 (1 5) νµ νe e - 1 4 F µ F µ +i /D +y ij i j + D µ 2 V ( ) µ µ 1 5 = = µ µ L 2 /D = D i g 0 0 p W 2 1 0 ' µ ip g (1 5)W µ 2

Esempio 4: decadimento del muone (piuttosto rigoroso: ma per i dettagli ci vorrebbe un intero corso di QFT!) µ - L ' i g p 2 (1 5) 1 M 2 W W - i g p 2 (1 5) νµ νe e - 1 4 F µ F µ +i /D +y ij i j + D µ 2 V ( ) µ µ 1 5 = = µ µ L 2 /D = D i g 0 0 p W 2 1 0 ' µ ip g (1 5)W µ 2 / 1 MW 2! 1 p2 MW 2

Esempio 4: decadimento del muone (piuttosto rigoroso: ma per i dettagli ci vorrebbe un intero corso di QFT!) µ - L ' i g p 2 (1 5) 1 M 2 W W - i g p 2 (1 5) νµ νe e - 1 4 F µ F µ +i /D +y ij i j + D µ 2 V ( ) ampiezza: M / g2 2 µ (1 5) µ 1 M 2 W e (1 5) e

Esempio 4: decadimento del muone (piuttosto rigoroso: ma per i dettagli ci vorrebbe un intero corso di QFT!) µ - L ' i g p 2 (1 5) 1 M 2 W ampiezza: W - i g p 2 (1 5) M / g2 2 νµ νe e - µ (1 5) µ 1 e (1 MW 2...dopo una serie di facili passaggi, si può facilmente dimostrare che... tasso di decadimento: / M 2 1 4 F µ F µ +i /D +y ij i j + D µ 2 V ( ) 5) e

Esempio 4: decadimento del muone (piuttosto rigoroso: ma per i dettagli ci vorrebbe un intero corso di QFT!) µ - L ' i g p 2 (1 5) 1 M 2 W W - i g p 2 (1 5) νµ νe e - 1 4 F µ F µ +i /D +y ij i j + D µ 2 V ( ) ampiezza: tasso di decadimento: M / g2 2 µ (1 5) µ 1 = 1 192 3 G2 F m 5 µ M 2 W e (1 5) e...dopo una serie di facili passaggi, si può facilmente dimostrare che... G F = p 2 g 2 8 M 2 W

Esempio 4: decadimento del muone (piuttosto rigoroso: ma per i dettagli ci vorrebbe un intero corso di QFT!) µ - L ' i g p 2 (1 5) 1 M 2 W W - i g p 2 (1 5) νµ νe e - 1 4 F µ F µ +i /D +y ij i j + D µ 2 V ( ) ampiezza: tasso di decadimento: vita media: M / g2 2 µ (1 5) µ 1 = 1 192 3 G2 F m 5 µ M 2 W e (1 5) e...dopo una serie di facili passaggi, si può facilmente dimostrare che... G F = =1/ =(2.19703 ± 0.0004) 10 6 secondi p 2 g 2 8 M 2 W