Il progetto di un apparato per Fisica E.W. ad un collider e + e -
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Il progetto di un apparato per Fisica E.W. ad un
collider e+e-
[Marcello Piccolo
Torino 15/04/2004 ]
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M. Piccolo , IFAE TORINO 2
Agenda
Un rapidissimo richiamo alla fisica del bosone di Higgs.
I processi rilevanti per il disegno dell’ apparato.
Qualche esempioConclusioni
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M. Piccolo , IFAE TORINO 3
Problemi aperti in fisica EW
La simmetria SU(2)xU(1) deve essere rotta ad un valore di =250 GeV per spiegare mZ ed mW
Che cosa e’ che la rompe ? Perche’ si rompe ? Perche’ 250 GeV (<< MPl) ?
– Stabilita’– Origine
Come nascono le masse dei fermioni?
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M. Piccolo , IFAE TORINO 4
L’ Higgs e’ probabilmente “dietro l’angolo”
Tutti i dati raccolti fino ad ora, sensibili ad effetti quantici dell’ Higgs indicano :
mH<196GeV (95%CL)
LHC un paio di anni dopo la sua entrata in funzione dovrebbe vederlo
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M. Piccolo , IFAE TORINO 5
L’Higgs a LHC
E’ sufficiente la scoperta? Non credo .
Supponiamo che lo si scopra nel canale H , e di vedere poi come cross check lo stato finale ttH.
Technipion? Scalare o pseudo-scalare? Si accoppia con W/Z?
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M. Piccolo , IFAE TORINO 6
Legittime domande Abbiamo veramente scoperto il bosone di
Higgs ?– E’ la particella che genera la massa ?– Ha lo spin e la parita’ corretti 0+?– E’ effettivamente il condensato che riempie l’Universo ?
Per provare che e’ l’ “Origine della Massa”– Spin/Parita’– Accoppiamenti – Vacuum expectation value– Branching Ratios
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M. Piccolo , IFAE TORINO 7
Higgs Boson at LC
Distributioni angolari in e+e–ZX dipendono dal tipo di X=h, A, V
E’ un bosone 0+?
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M. Piccolo , IFAE TORINO 8
Higgs Boson at LC Branching Fractions
comprovano la relazione accoppiamenti
massa Prova che il
Bosone di Higgs e’ la “Origine della Massa” (Battaglia)
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M. Piccolo , IFAE TORINO 9
Higgs Boson at LC
Stato finale ZH ALR prova che
viene da uno s-channel Z-exchange
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M. Piccolo , IFAE TORINO 10
Higgs Boson at LC
Stato finale ZH ALR prova che
viene da uno s-channel Z-exchange
Se Z:gauge boson, H: bosone scalare solo due vertici possibili
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M. Piccolo , IFAE TORINO 11
Higgs Boson at LC
Stato finale ZH ALR prova che
viene da uno s-channel Z-exchange
Se Z:gauge boson, H: scalare boson solo due vertici possibili
C’e’ bisogno di un VEV per avere un vertice ZZH.
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M. Piccolo , IFAE TORINO 12
Higgs Boson at LC
Stato finale ZH ALR prova che viene
da uno s-channel Z-exchange
Se Z:gauge boson, H: scalar boson solo due vertici possibili
C’e’ bisogno di un VEV per avere un vertice ZZH. prova che e’ responsabile di mZ
HM, LBNL-38891
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M. Piccolo , IFAE TORINO 13
Qualche considerazione generale
Tipica reazione delle persone non coinvolte nel progetto:– Disegno dell’apparato sperimentale non
critico.– Un apparato alla LEP/SLC …magari un po’
piu’ grande andrebbe benissimoL’attegiamento non e’ completamente
irragionevole, ma secondo me non molto lungimirante: – In effetti molto del programma sperimentale
potrebbe essere svolto da rivelatori gia’ progettati, ma si potrebbe poi fare tutto ?
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M. Piccolo , IFAE TORINO 14
Qualche considerazione generale (cont.)
A voler riassumere in poche parole le differenze tra la sperimentazione ai collisionatori adronici e quella ai collisionatori leptonici e’ che la prima tende ad essere “background limited” , mentre la seconda tende ad essere ‘rate limited”.
Non voglio dire con questo che sia sempre cosi’, ma i due mondi della sperimentazione tendono ad allinearsi secondo queste due direttrici.
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M. Piccolo , IFAE TORINO 15
Qualche considerazione generale (cont.)
In generale quindi, il tipico apparato da collisionatore adronico e’ costituito da componenti robusti, resistenti a radiazione che discriminino i processi interessanti, anche se poi la efficienza di rivelazione non e’ altissima…
Viceversa il problema del rate per i collisionatori leptonici e’ importantissimo, e gli apparati vanno disegnati tenendo bene in mente i processi da rivelare e le misure che le luminosita’ permettono di effettuare.
In questo senso e’ ragionevole intraprendere programmi di Ricerca e Sviluppo per la sperimentazione ad un linear collider, pure se, per parte del programma di Fisica, Delphi o SLD (o Aleph o L3 o Opal) potrebbero fare un ottimo lavoro.
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M. Piccolo , IFAE TORINO 16
Qualche esempio Il processo tipico sempre invocato per stabilire le
risoluzioni nel comparto di tracking dell’apparato e’ la produzione di Z e H.
Ma una volta visto l’Higgs come massa mancante alla Z, uno dei risultati importanti sarebbe, ad esempio, la misura dei branching ratios non-leading (cc/gg/giustamente considerato uno dei pezzi forti ( e qualificanti) del programma sperimentale del linear collider…
Per portare avanti questo tipo di misura si dovra’ essere in grado di etichettare con buona purezza e OTTIMA efficienza sia gli stati charmati ( lunghezza di decadimento piu’ piccola degli stati con beauty) che quelli originati da gluoni ( senza vertici separati).
Tenuto conto degli spettri di impulso con cui si ha a che fare una riduzione sostanziale dello spessore del rivelatore permetterebbe notevoli incrementi di efficienza.
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M. Piccolo , IFAE TORINO 17
Qualche esempio (il VXD) La geometria cilindrica porta naturalmente ad
accumulare materiale nelle endcaps:– Estremamente importante tenere basso il # di X0
obiettivo: spessore/strato ~ 0.1-0.2% X0 – SLD spessori 0.4% X0
Soluzioni possibili :– Rivelatori sottili stirati (ie. supportati via tensione)
• Stirare una membrana e’ piu’ difficile rispetto a un filo
– Incollare il rivelatore su un supporto stirato• Complicazioni di incollaggio
– Incollare rivelatore su un supporto rigido
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M. Piccolo , IFAE TORINO 18
Disegno concettuale del tracker centraleRichieste generali:
– Risoluzione in momento eccellente
• Massa mancante ai dileptoni per eventi ZH • Misura dell’endpoint nelle catene di decadimento
SUSY
– Pattern recognition eccellente, risoluzione traccia-traccia al meglio
• Spread di momento grosso, jets densi
– Resistente ad alti fondi macchina
151 GeV 105 -p full tracking system
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M. Piccolo , IFAE TORINO 19
Considerazioni concettuali per il tracciatore centrale
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M. Piccolo , IFAE TORINO 20
Pattern recognition: gas vs. SiL’occhio tende a preferire la figure a sinistra,
anche se I punti di destra sono molto piu’ precisi– 5 strati sono sufficienti per una pattern
recognition efficiente?
“gas” Si
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M. Piccolo , IFAE TORINO 21
Qualche esempio Un esempio ancora piu’ importante e’ quello
che riguarda la calorimetria:Uno dei cardini della rottura della simmetria
elettrodebole e’ il meccanismo di Higgs: il potenziale dell’Higgs e’ completamente caratterizzato nel Modello Standard e l’autointerazione dell’Higgs e’ misurabile solo ad un LC tramite la produzione ZHH.
La misura in questione e’ veramente al limite delle prestazioni della macchina e, se l’apparato sperimentale non fosse in grado di ricostruire lo stato finale e rigettare i fondi efficientemente, la misura non sarebbe possibile.
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M. Piccolo , IFAE TORINO 22
L’algoritmo dell’energy flow
Se non e’ possibile effettuare fits cinematici, l’algoritmo dell’energy flow fornisce la migliore risoluzione energetica :– Si usa il tracciatore per misurare l’energia dei
carichi (65% of della energia del jet)– Calorimetro EM per fotoni(25%)– Calorimetri EM and Had per adroni neutri (10%)
2confusion
2neut.had.
2photons
2charged
2jet
had. neut.photonschargedjet
EEEE
EEEE
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M. Piccolo , IFAE TORINO 24
L’algoritmo dell’energy flow
Ignorando il termine di tracking ( piccolo):
– e’ il contributo piu’ grande
2confusion
2neut.had.
2photons
2charged
2jet
had. neut.photonschargedjet
EEEE
EEEE
GeV3.0GeV14.0 jet22
confusionjet22
jet EEE
2confusion
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M. Piccolo , IFAE TORINO 25
Concetti per Calorimetri
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M. Piccolo , IFAE TORINO 26
Raggio di Moliere (Ferro vs. Tungsteno)
Iron Tungsten
(many images courtesy H.Videau)
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M. Piccolo , IFAE TORINO 27
Richieste di risoluzione in massa per i jets
Obiettivo : disinguere W and Z nei modi adronici
– richesta: risoluzione per Ej
, ZZeeWWee
example:
E%30E%60
Uno studio dettagliato della misura dell’autoaccoppiamento mostra che passare dal 60% al 30% nel termine stocastico e’ equivalente adun 40% di aumento in luminosita’
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M. Piccolo , IFAE TORINO 28
Qualche esempio (cont.)
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M. Piccolo , IFAE TORINO 29
Qualche esempio (cont.)…e se l’Higgs non si trova ?L’interazione tra i bosoni di gauge dovra’ allora
diventare forte e lo studio dei processi a stati finali ZZ e/o WW saranno di importanza fondamentale.
E sara’ di importanza fondamentale identificare correttamente lo stato finale.
I due neutrini non permetteranno di usare fits cinematici per la ricostruzione della massa invariante delle coppie di jets, quindi restiamo alla merce’ della capacita’ del rivelatore di discriminare W da Z con la calorimetria...
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M. Piccolo , IFAE TORINO 30
Regrets
Il tempo e’ tiranno: mancano le discussioni di analisi riguardanti:– Produzione di coppie W– Studi ad altissima statistica della Z– Tagging di particelle
supersimmetriche
Dal punto di vista sperimentale il trattamento e la rilevanza della zona a piccolissimo angolo.
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M. Piccolo , IFAE TORINO 31
Conclusioni
La fisica (E.W.) ad un collider e+e-nel range di energia 0.5-1.0 TeV e’ estremamente interessante.
Le richieste sull’apparato sperimentale sono diverse da quelle alla LHC.
Progettare un apparato per la fisica e+e- comporta sempre ottimizzazioni basate sul dettaglio dei processi fisici: molte nuove tecniche sperimentali hanno avuto origine in questo modo.