Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali

1. Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali • la fisica agli acceleratori • la fisica dei raggi cosmici • la fisica delle onde gravitazionali Gruppo 1 + 2 INFN • Campi di ricerca estremamente attuali • Oltre 70 ricercatori+tecnici coinvolti • Attività sperimentale tecnologicamente avanzata Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

2. Gruppo 1 Fisica agli acceleratori Interazioni e- p (ZEUS) Violazione di CP (NA48 + LHCB) Ricerca di nuova fisica (CMS) Gruppo 2 Fisica non agli acceleratori • Raggi cosmici • Antimateria nei RC • (PAMELA) • RC di energia estrema • (EUSO) • Onde gravitazionali • Barre risonanti • (AURIGA) • Interferometri ottici • (VIRGO/LISA) • Magia • Cuoricino/Cuore • … Interdisciplinarietà Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

3. RC Fisica agli acceleratori Dal 1930 fino al 1950 i RC sono stati il principale (unico?) acceleratore a disposizione per la Fisica delle Particelle!!! 1927: scoperta degli sciami prodotti dai RC 1932:e+ 1937:m +/- 1947:p +/- 1947/1953: Inizio della proliferazione degli adroni: K+, K0, L0, X-, S+ • A partire dagli anni 50 gli acceleratori hanno ‘preso il sopravvento’ (anche a Firenze!): • Intensità (Luminosità) • Direzionalita’ • Energia fissata • Riproducibilità Solo per la Fisica delle particelle, non per l’Astrofisica!!!! Ma…. Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

4. Anni 90: ritorno ai RC • Energie in gioco • Collegamenti interdiscplinari • Fisica Nucleare • SubNucleare • Astrofisica • Cosmologia • Nuovi mezzi tecnici • Grandi rivelatori • Satelliti Energie elevatissime (>106 ELHC) pp  X Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

5. Partecipazione significativa in grosse collaborazioni internazionali La Fisica agli acceleratori • Acceleratore LEP al CERN-Ginevra (Svizzera) (1989-2000) • (Esperimento L3) • Interazioni e+ e- (45 GeV / 45 GeV, 100 GeV / 100 GeV) • Fisica della Z0 e dei W+/W-, verifiche di precisione del Modello Standard • Acceleratore Hera a Desy-Amburgo (Germania) (1993  …) • Interazioni e- p (27.5 GeV / 920 GeV) • Acceleratore SPS al CERN (Anni 70  …) • Fasci di p, p, K0 (450 GeV) • Acceleratore LHC al CERN (2007  …) • Interazioni p p (8 TeV / 8 TeV) Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

6. Gruppo 1 Fisica agli acceleratori Interazioni e- p (ZEUS) Violazione di CP (NA48 + LHCB) Ricerca di nuova fisica (CMS) Gruppo 2 Fisica non agli acceleratori • Raggi cosmici • Antimateria nei RC • (PAMELA) • RC di energia estrema • (EUSO) • Onde gravitazionali • Barre risonanti • (AURIGA) • Interferometri ottici • (VIRGO/LISA) Interdisciplinarietà Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

7. ZEUS ad HERA I L’esperimento ZEUS ad HERA (DESY) rivela collisioni di elettroni (o positroni) e protoni Sono stati raccolti 17.5 pb-1 con elettroni e protoni e 114.6 pb-1 con positroni e protoni. Sono state effettuate misure estese di funzioni di struttura e sezioni d’urto di Deep Inelastic Scattering. Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

8. HERA II L’esperimento sta prendendo dati dopo uno shutdown per l’aumento della luminosità di circa un fattore 4.7 e l’installazione di nuovi rivelatori (MicroVertice, Straw-Tube Tracker). Nella nuova fase sono disponibili fasci di elettroni (o positroni) con polarizzazione longitudinale. Il programma prevede la misura di precisione di funzioni di struttura e sezioni di urto di Deep Inelastic Scattering, lo studio della produzione di heavy flavour e la ricerca di nuovi fenomeni con sensibilità accresciuta. Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

9. Ricerca di Lepton Flavour Violation I processi in cui l’elettrone (o positrone) iniziale e’ sostituito da un muone o un tau possono essere mediati da Leptoquark in modelli non diagonali nella famiglie (es. Bűchmuller-Rűckl-Wyler). Tali particelle hanno numeri leptonico L e barionico B diversi da 0 e sono classificate in base al numero fermionico F=|L+3B|=0,2. Possono essere a seconda della massa prodotte in modo risonante (canale s) o contribuire in modo indiretto (canali s e u). Evento simulato con muone nello stato finale Gli eventi hanno elevato impulso trasverso mancante e un muone o un tau con esso allineato. Nessuna evidenza e’ stata trovata di eventi con Lepton Flavour Violation nel canale muonico o in quello tau nella statistica di HERA I raccolta da ZEUS e finora analizzata. Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

10. Gruppo 1 Fisica agli acceleratori Interazioni e- p (ZEUS) Violazione di CP (NA48 + LHCB) Ricerca di nuova fisica (CMS) Gruppo 2 Fisica non agli acceleratori • Raggi cosmici • Antimateria nei RC • (PAMELA) • RC di energia estrema • (EUSO) • Onde gravitazionali • Barre risonanti • (AURIGA) • Interferometri ottici • (VIRGO/LISA) Interdisciplinarietà Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

11. NA48 all’SPS NA48 è un esperimento CERN dedicato allo studio dei mesoni K K± e K0(KS e KL) sono mesoni costituiti da un quark(antiquark) s (strange) ed un antiquark(quark) u(up) o d(down) Negli anni 50 nei K± si è scoperta la Violazione della Parità: destra e sinistra non sono simmetriche Nel 1964 nei KL si è scoperta la Violazione di CP: Materia e Antimateria non sono simmetriche Negli anni 1997-2001 NA48 ha scoperto la Violazione “diretta” di CP nei K0: particella e antiparticella hanno probabilità di decadimento differenti La violazione “diretta” di CP nei K0 si parametrizza con: Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

12. Come funziona l’esperimento NA48? • Grazie all’acceleratore SPS del CERN sono prodotti due fasci simultanei di • KSeKL, i cui decadimenti in due pioni carichi o due pioni neutri • sono rivelati da: • uno spettrometro magnetico con camere a fili • un calorimetro elettromagnetico a Kripton liquido • un sistema di scintillatori per rivelare i protoni che producono i KS (tagger) • un calorimetro adronico, un muon veto, due odoscopi per il trigger, etc Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

13. LHC: pp collider, 8 TeV + 8 TeV, 2007 Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

14. LHCb physics goal:High precision tests of CP violation in B meson B hadrons are mostly produced in the forward direction (along the beam) Choose a forward spectrometer10–300 mrad Both b and b in the acceptance: important for tagging the production state of the B hadron 1012b(bbar) pairs per year b–b correlation Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

15. Typical B event Need to measure proper time of B decay: t=mL / pchence decay length L (typically ~ 1 cm in LHCb)and momentum p from decay products (which have ~ 1–100 GeV) Also need to tag production state of B: whether it was B or BUse charge of lepton or kaon from decay of the other b hadron Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

16. LHCb detector • Excellent tracking and vertexing • Excellent particle identification capabilities • Specialised trigger for efficient B decay identification and background rejection Vertex locator around the interaction region Silicon strip detector with ~ 30 mm impact-parameter resolution Muon system to identify muons, also used in first level of trigger Efficiency ~ 95% for pion misidentification rate < 1% Calorimeter system to identify electrons, hadrons and neutrals Important for the first level of the trigger Two RICH detectors for charged hadron identification Provide > 3s p–K separation for 3 < p < 80 GeV Tracking system and dipole magnet to measure angles and momenta Dp/p ~ 0.4 %, mass resolution ~ 14 MeV (for Bs DsK) Magnetic field regularly reversed to reduce experimental systematics Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

17. Activity in Florence • INFN of Florence is building about 200 of the 1400 Multi Wire Proportional Chambers of the LHCb Muon Detector Chamber prototype Chamber wire soldering with laser beams Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

18. Gruppo 1 Fisica agli acceleratori Interazioni e- p (ZEUS) Violazione di CP (NA48 + LHCB) Ricerca di nuova fisica (CMS) Gruppo 2 Fisica non agli acceleratori • Raggi cosmici • Antimateria nei RC • (PAMELA) • RC di energia estrema • (EUSO) • Onde gravitazionali • Barre risonanti • (AURIGA) • Interferometri ottici • (VIRGO/LISA) Interdisciplinarietà Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

19. L’esperimento CMS ad LHC 15 m 21.5 m • Misura di precisione di muoni, elettroni, g, jets in un largo intervallo di energia • Tracciatori di precisione in campo magnetico (4 T) • sofisticata calorimetria elettromagnetica ed adronica Tracker Pixel+Silicon Tracker Calorimetro Adronico rame + scintillatori Magnete superconduttore 4 Tesla Camere μ Drift Tubes + Cathode Strip Chambers + RPC ECAL cristalli PbWO4 Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

20. Il programma scientifico: Studio della nuova fisica attesa ad una scala di energia mai raggiunta prima con gli acceleratori. • Ricerca della particella di Higgs e dell’origine della massa • Ricerca di particelle supersimmetriche. Grande Unificazione delle interazioni fondamentali. Neutralino  materia oscura nell’universo • Fisica dei quark pesanti (t, b). • Fisica degli ioni pesanti ad altissima energia. Studio del quark-gluon plasma. Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

21. 200 m2 di rivelatori in silicio realizzati con tecnologia planare: Pixels per R < 15 cm Sensori a micro-strisce di silicio per 20 < R < 110 cm Rivelatori ed elettronica di lettura veloci Adeguati alla velocita` di acquisizione richiesta da LHC (40 MHz) Impiego di laser e fibre ottiche per la trasmissione del segnale analogico. Scopo: spt ~ 1-2 % a 100 GeV/c : misura dei leptoni con ottima risoluzione (canali di nuova fisica); ricostruzione di risonanze strette; fisica del B. sip ~ 10-20 mm a 100 GeV/c: identificazione di b e di t tramite vertici secondari. Ricostruzione del tempo proprio nel decadimento (oscillazioni B-B). Il tracciatore centrale Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

22. Attività su CMS a Firenze • Ricerca e sviluppo dei sensori a silicio • Controllo della qualità di produzione dei sensori; • Test di qualità dei moduli prodotti: • Costruzione dei moduli a microstrip: microsaldatura in camera pulita • Studio e sviluppo dell’elettronica di alimentazione • Sviluppo del software di ricostruzione. • Integrazione dei rivelatori sulla struttura meccanica con elettronica di lettura e trasmissione ottica del segnale. • Studio dei prototipi di rivelatore finale in test su fascio. Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

23. Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

24. Gruppo 1 Fisica agli acceleratori Interazioni e- p (ZEUS) Violazione di CP (NA48 + LHCB) Ricerca di nuova fisica (CMS) Gruppo 2 Fisica non agli acceleratori • Raggi cosmici • Antimateria nei RC • (PAMELA) • RC di energia estrema • (EUSO) • Onde gravitazionali • Barre risonanti • (AURIGA) • Interferometri ottici • (VIRGO/LISA) Interdisciplinarietà Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

25. High Energy Ultra High Energy Very High Energy LHC Beam Energy LHC CM Energy I Raggi Cosmici (L’altra faccia della medaglia!) • Deviazioni da questa legge • di potenza nelle regioni del • ginocchio (3.1015 eV) • caviglia (5.1018 eV) Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

26. Cosa possiamo imparare dai RC? Misure/Effetti sperimentali Informazioni Fisiche Sorgenti Meccanismi di accelerazione Meccanismi di propagazione Mezzo interstellare Tempo di confinamento Nucleosintesi Campi magnetici Fisica del sole Geofisica Simmetria materia/antimateria??? Nuove particelle??? Materia oscura??? Nuove interazioni??? Composizione: p  85% He  12% C,N,O  10-2 Fe  10-4 e-  2% e+  10-4 Spettri energetici Composizione isotopica Ricerche di antinuclei Ricerche di nuove particelle Modulazione solare Taglio geomagnetico Fasce di radiazione Atmosfera (23 X0, 11 lI) 2 campi di ricerca 1) Antimateria nei RC attivi a Firenze 2) Ultra High Energy Cosmic Rays negli ultimi anni Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

27. Gruppo 1 Fisica agli acceleratori Interazioni e- p (ZEUS) Violazione di CP (NA48 + LHCB) Ricerca di nuova fisica (CMS) Gruppo 2 Fisica non agli acceleratori • Raggi cosmici • Antimateria nei RC • (PAMELA) • RC di energia estrema • (EUSO) • Onde gravitazionali • Barre risonanti • (AURIGA) • Interferometri ottici • (VIRGO/LISA) Interdisciplinarietà Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

28. Antimateria nei RC Problema cosmologico: simmetria/asimmetria materia/antimateria? • 2 ipotesi cosmologiche: • L’universo è simmetrico: materia e antimateria occupano dominii differenti • L’universo è fatto solo di materia; • Condizioni di Sakharov: • Violazione numero barionico • Violazione CP • Non equilibrio termodinamico Investigazione diretta della antimateria nell’Universo: Ricerca diretta di antiparticelle nei RC!!!! Esperimento PAMELA Esperimento in orbita su satellite russo: Lancio nel 2004 Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

29. Situazione sperimentale attuale Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

30. Anticoincidence system • Defines acceptance for tracker • Plastic scintillator + PMT • Binary read-out Pamela Subdetectors • TRD • Threshold device. Signal from e±, no signal from p, p • 9 planes of Xe/Co2 filled straws (4mm diameter). Interspersed with carbon fibre radiators  crude tracking. • Aim: 102 separation e -vs- p (above 1GeV/c). NB: 106 with calorimeter. • Time-of-flight • Gives L1 trigger / detects albedos / particle identification (up to 1GeV/c) / dE/dx • Plastic scintillator + PMT • Timing resolution = 70ps • Si Tracker + magnet • Measures rigidity • 5 Nd-B-Fe magnet segments (0.4T) • 6 planes of 300mm thick Si detectors • ~3mm resolution in bending view demonstrated, ie: MDR = 740GV/c • Si-W Calorimeter • Measures energies of e±. DE/E = 15% / E1/2. • Si-X / W / Si-Y structure. • 22 Si / 21 W  16X0 / 0.9l0 • Imaging: EM - vs- hadronic discrimination. Reconstruct long. and transverse shower profile. [Acceptance ~21 cm2sr] Firenze Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

31. Possible increase of the antiproton Flux due to Neutralino annihilation Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

32. Gruppo 1 Fisica agli acceleratori Interazioni e- p (ZEUS) Violazione di CP (NA48 + LHCB) Ricerca di nuova fisica (CMS) Gruppo 2 Fisica non agli acceleratori • Raggi cosmici • Antimateria nei RC • (PAMELA) • RC di energia estrema • (EUSO) • Onde gravitazionali • Barre risonanti • (AURIGA) • Interferometri ottici • (VIRGO/LISA) Interdisciplinarietà Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

33. LO SPETTRO DEI RAGGI COSMICI ALLE ENERGIE ESTREME 17 EVENTI PROTONI ? ISOTROPIA ? CLUSTERS ? CUTOFF ? P + g DP p.. GZK cutoff ? OGNI INTERPRETAZIONE RICHIEDE NUOVA FISICA O NUOVA ASTROFISICA Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

34. EUSO : obiettivi scientifici • Misura ad alta statistica dello spettro dei raggi cosmici oltre il limite GZK (E>5 * 1019 eV); previsti circa 700 eventi/anno con energia E>1020eV , risoluzione in energia DE/E = 20% • Misura su tutto l’angolo solido del flusso di EECR e ricerca di eventuali sorgenti puntiformi ; risoluzione angolare Dq=1o • Misura Xmax medio  Identificazione primario (P,Nuclei,g,n) • Ricerca di neutrini EECR • I neutrini non sono affetti dal taglio GZK e possono venire da sorgenti molto lontane, sono previsti da molti modelli di accelerazione di EECR Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

35. EUSO on the ISS : SCHEMA GENERALE EUSO Geometry Detector altitude = 380 km orbital period = 90 min duty cycle = 0.1- 0.2 Total field of view = 60° optics diameter = 2.5 m Geometrical factor = 5 · 105 km2 sr Pixel size = (.8 · .8) km2 background = 500ph/m2/ns/sr Focal surface (pixels) Fresnel lenses Cosmic ray 30o 0.1o Fluorescence Cherenkov 0.8 km EUSO: ExtremeUniverseSpaceObservatory Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

36. Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

37. Gruppo 1 Fisica agli acceleratori Interazioni e- p (ZEUS) Violazione di CP (NA48 + LHCB) Ricerca di nuova fisica (CMS) Gruppo 2 Fisica non agli acceleratori • Raggi cosmici • Antimateria nei RC • (PAMELA) • RC di energia estrema • (EUSO) • Onde gravitazionali • Barre risonanti • (AURIGA) • Interferometri ottici • (VIRGO/LISA) Interdisciplinarietà Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

38. Le onde gravitazionali Sono previste dalla teoria della Relatività Generale e sono generate dal moto accelerato di masse. Ondulazioni dello Spazio-tempo, il cui effetto sulla materia al suo passaggio è di deformarla secondo le direzioni perpendicolari a quella di propagazione (sono onde trasversali). 2 tecniche ‘complementari’ • Barre risonanti  AURIGA a Legnaro • Interferometri ottici  VIRGO a Cascina Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

39. LHe4 vessel Al2081 holder Electronics wiring support Main Attenuator Thermal Shield Compression Spring Transducer AURIGA • Caratteristiche principali: • Alluminio, 2300kg • lunghezza 3m, diametro 60cm • raffreddata a 0.1 K • speciali sospensioni Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

40. Trasduttore ottico: lettura delle vibrazioni della barra tramite laser Sensibilità dimostrata a temperatura ambiente Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

41. Evoluzioni future Dual Sphere, Dual torus:sono dei rivelatori non risonanti che misurano lo spostamento differenziale di due masse concentriche su un intervallo di frequenze compreso tra le due frequenze di risonanza delle singole masse (1 kHz di banda). Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

42. VIRGO Interferometro ottico con bracci lunghi 3 km Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

43. La sospensione di Virgo Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

44. La sensibilità di Virgo Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

45. Il futuro: LISA LISA è un interferometro spaziale (ESA-NASA) composto da una costellazione di tre satelliti distanti 5 milioni di km l’uno dall’altro. Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

46. Spacecrafts Test Masses Telescopes 3 pairs of “free falling” test masses ( 3 10-15 ms-2 Hz-1/2 @ 0.1 mHz) 3 “test-mass follower” shielding spacecraft 2 semi-independent 5 106 km Michelson Interferometers with Laser Transponders ( 40 pm Hz-1/2) Goal: GW at 0.1 mHz – 0.1 Hz LISA Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

47. Problema delle forze dovute alle cariche elettrostatiche generate dai Raggi Cosmici Firenze Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

48. La tecnologia e le attrezzature Per realizzare questi esperimenti è necessario: • Competenza tecnologica avanzata • Collaborazione tra vari enti di ricerca (INFN, CNR, Università, INO, Osservatorio etc.) • Attrezzature (Camere pulite, Tecnologie per sviluppo di rivelatori, Elettronica, Sistemi di Acquisizione, Rivelatori al silicio…) NUOVO EDIFICIO INFN!!!! • La Fisica e la Tecnologia sono sempre più interconnesse Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

49. Conclusioni • Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali a Firenze è un campo in intensa attività • Fisica agli acceleratori complementare alla Fisica dei Raggi Cosmici • La Fisica delle Onde Gravitazionali ha avuto un forte impulso Negli ultimi anni è stato seminato molto… Speriamo in un buon raccolto nei prossimi anni!!!! Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani

50. Attività del gruppo di Firenze Il gruppo di Firenze è stato impegnato nell’esperimento dalla sua fase iniziale ed ha contribuito alla presa dati, allo sviluppo del software (es. nuovo event display) e alla analisi a vari livelli di responsabilità. Attualmente esprime la Physics Chairperson (E.Gallo). Ha svolto analisi su funzioni di struttura, fisica diffrattiva e fisica oltre il modello standard (argomento su cui è attualmente concentrato). Lo studio delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali Oscar Adriani