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Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07
Misura dei rapporti di decadimento
del bosone Z
con eventi dell’esperimento OPAL
STUDENTS’ DAY
Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07
1. TEORIA
Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07
L’universo in due tabelle
Forza Bosone
Gravità gravitone
Elettromagnetismo fotone ()
Forza nucleare debole
Z,W+,W-
Forza nucleare forte gluoniMateria
quarks leptoni
u c t e
d s b e
Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07
Il bosone Z
Forza Bosone
Gravità gravitone
Elettromagnetismo fotone ()
Forza nucleare debole
Z,W+,W-
Forza nucleare forte gluoniStudiare il bosone Z significa:• misurare la massa• misurare “quanto vive”• studiarne i possibili decadimenti
Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07
Il bosone Z
Forza Bosone
Gravità gravitone
Elettromagnetismo fotone ()
Forza nucleare debole
Z,W+,W-
Forza nucleare forte gluoniStudiare il bosone Z significa:
• misurare la massa mZ 97 mp
• misurare “quanto vive” 3x10-25 s • studiarne i possibili decadimenti
Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07
2. L’ESPERIMENTO
Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07
1. Usiamo coppie particella-antiparticella per produrre la Z
e+ e- Z
2. Osserviamo la Z decadere in coppie particella-antiparticella
Z e+ e- Z + - Z + -
Un esperimento per studiare il bosone Z
q q Z
e+
e-
Z
e+
e-
Zf
f
Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07
La fabbrica di e+ ed e-: LEP
LEP
E=mc2: si fanno collidere fasci di e+ ed e- con E=mZc2
In pratica E(e-)=E(e+)=½ mZc2
Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07
50
100
m
7 km
Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07
Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07
Il rivelatore OPAL
e-
e+
B (p=qBR)
Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07
y
x
Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07
Una “fetta” di OPAL: tracking
1.8 my
x
Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07
Una “fetta” di OPAL: calorimetri
2.4 m
3.4 m
y
x
Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07
Una “fetta” di OPAL: rivelatori di
4.4 my
x
Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07
Un esperimento per studiare il bosone Z
Forza Bosone
Gravità gravitone
Elettromagnetismo fotone ()
Forza nucleare debole
Z,W+,W-
Forza nucleare forte gluoniStudiare il bosone Z significa:• misurare la massa• misurare “quanto vive”• studiarne i possibili decadimenti Analisi di 1000 eventi
raccolti dal rivelatore OPAL e visualizzati da un ED
Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07
3. “HANDS-ON”
Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07
Come OPAL “vede” le particelle
Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07
Un muone
Il muone è la sola particella che abbia alta probabilità di passare attraverso tutti i calorimetri e di rilasciare un segnale nelle camere per muoni.
Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07
Intermezzo: le unità di misura
• Nella fisica delle particelle si pone c=1 E,m,p espresse tutte in eV!
• Le particelle si muovono a velocità vc Dalla relazione E=mc2 Epc
In pratica confonderemo l’energia delle particelle con la loro q.d.m.
NB: E(e-)=E(e+)=½ mZ p(e-)+p(e+)=0
Energia eV
Massa (E=mc2 m=E/c2) eV/c2
Quantità di moto (T=p2/2m p= √2mT)
eV/c
Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07
• Energia: eV energia di un elettrone accelerato da una d.d.p. di 1 V (1 eV =1.6 x10-19 J)
elettroni nel tubo catodico del televisore E=20 keV (k= 103)
• Massa (ricordate E=mc2 !): eV/c2
1 protone: mp=1.672 x10-27 kg oppure mp=938 MeV/c2 (M=106) o anche mp=1 GeV/c2 (G=109)
• Quantità di moto: eV/c Energia cinetica T=½mv2, q.d.m. p=mv T=p2/2m
1 mosca (1g) a 1 km/h: p=5x1023 eV/c
Intermezzo: le unità di misura
2Tmp 2eV/ceV
Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07
Un elettrone
L’elettrone perde tutta la sua energia nel calorimetro elettromagnetico
1. la q.d.m. associata alla traccia della particella carica deve essere simile all'energia depositata (stesso colore).
2. non ci sono depositi di energia nel calorimetro adronico nè segnali nelle camere per muoni.
Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07
Un quark? Un adrone!
Un quark di alta energia produce un grappolo (o "jet") di particelle che viaggiano nella direzione del quark originale
1. la q.d.m. della traccia carica osservata è di solito maggiore dell'energia depositata nel punto in cui la particella colpisce il calorimetro adronico.
2. non è prodotto alcun segnale nelle camere per muoni
3. talvolta, ma non sempre, è visibile anche un deposito di energia nel calorimetro elettromagnetico.
Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07
La classificazione dei decadimenti
Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07
Decadimenti del bosone Z
1. Osserviamo la Z decadere in coppie particella-antiparticella
Z e+ e- Z + - Z + -
2. NB: negli eventi che analizzeremo lo stato finale prodotto nel decadimento della Z contiene solo particella ed antiparticella
q q Z
e-
e+
x
y
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Z + -
Due tracce di grande q.d.m. che hanno la stessa linea di volo ma viaggiano in direzione opposta e che rilasciano segnali nelle camere per muoni.
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Z e+ e-
Due tracce che si allontanano lungo la stessa linea di volo e che puntano ciascuna ad un deposito di energia nel calorimetro elettromagnetico.
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qqZ
Coppia di "jet" aventi la stessa direzione di volo ma verso opposto. Vedremo perciò un certo numero di tracce cariche ed energia depositata sia nel calorimetro elettromagnetico sia nel calorimetro adronico.
Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07
… ed i leptoni ?
I leptoni “viaggiano” solo una frazione di millimetro dopodichè decadono in altre particelle (non vediamo i nel nostro rivelatore!)
• 17% e
• 17%
I neutrini non sono rivelati ma portano via con sè una frazione dell’energia del
Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07
… ed il restante 66%?
• Il restante 66% dei decade producendo un neutrino e uno o più adroni – 50% 1 adrone carico – 16% 3 adroni carichi
'q
q
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Z + -
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Z + - oppure Z + - ?
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EXTRA SLIDES
Ernesto Migliore Masterclass Torino 20 Mar 07
Massa e larghezza del bosone Z
• Misura di mZ e Z= ћ/ Z a partire dalla misura della curva di eccitazione (risonanza) del processo e+e- f f V in funzione dell’energia del CM (√s)
• Numero di famiglie di neutrini leggeri (m< ½mZ)
N=2.9840±0.0082