Scienziati del CERN per un giorno
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Scienziati del CERN per un giorno
Scienziati del CERN per un giorno LHCb Masterclass - Cagliari Marianna Fontana1 INFN Cagliari - CERN 18-26 Febbraio 2016 - Cagliari, Italy 1 Gran parte del materiale è stato prodotto da Andrea Contu (CERN), ispirandosi ad una presentazione di Angelo Carbone (INFN Bologna) M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 1 / 43 Programma del giorno Studieremo una delle teorie su cui si fonda la fisica moderna: la relatività ristretta di Einstein2 Il tempo è relativo: un osservatore che studia un sistema che si muove a velocità prossima a quella della luce vede il tempo del sistema scorrere più lentamente rispetto al proprio 2 A. Einstein, Zur Elektrodynamik bewegter Körper in Annalen der Physik 17 (1905) M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 2 / 43 Cosa faremo? • Misureremo la vita media di una particella chiamata mesone D 0 • Vedremo • Cosa è e di cosa è fatto un D 0 • Cosa è la vita media di una particella • Come si può misurare questa grandezza • Ora cercheremo di trattare questi argomenti ..con qualche approssimazione! M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 3 / 43 Cosa è il D 0 ? Come detto nella presentazione precedente • Esistono 3 famiglie di quark • I barioni sono particelle composte da tre quark o tre antiquark • I mesoni sono particelle composte da un quark e un antiquark • E’ possibile fare tante combinazioni di quark, per formare barioni e mesoni! • Il mesone D 0 è una di queste, formato da un quark “pesante”, il quark c (detto anche charm) e un quark u “leggero” D0 • Esiste anche l’anti-D 0 , composto da c̄u • Il D 0 è instabile e quindi decade (si trasforma) in particelle più leggere, più stabili • Il tempo medio che passa da quando un D 0 viene prodotto a quando decade è la vita media M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 4 / 43 Cos’è l’instabilità? • Molte particelle che conosciamo sono instabili. Generalmente più una particella è pesante più è instabile. Questa è la ragione per cui la materia ordinaria che osserviamo è composta soltanto da particelle della prima famiglia. • Un esempio noto è il fenomeno della radioattività, dovuto a nuclei atomici instabili che si disintegrano spontaneamente in altri più stabili Decadimento β • Questo è solo un esempio di decadimento, che potrebbe continuare perché non necessariamente i nuclei prodotti dopo il decadimento sono stabili. Quindi si possono avere “catene di decadimento” M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 5 / 43 Ma chi è il responsabile dei decadimenti? • Ciò che avviene è la trasformazione di un neutrone in un protone + un elettrone + un anti-neutrino elettronico • La forza responsabile è la forza debole mediata dalla particella W • Uno dei quark d di un neutrone del nucleo si è trasformato in un quark u emettendo una particella W che decade subito in un elettrone e un neutrino M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 6 / 43 Il tempo di vita media - I • Ciascun nucleo radiativo decadrà in tempi diversi rispetto agli altri (si può andare da frazioni di secondo a miliardi di anni) • Ma non è possibile prevedere con esattezza quando decadrà questo singolo nucleo • Tuttavia è possibile misurare quanto vivrà in media, dato un campione statistico di partenza abbastanza grande. Esempio: M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 7 / 43 Il tempo di vita media - I • Ciascun nucleo radiativo decadrà in tempi diversi rispetto agli altri (si può andare da frazioni di secondo a miliardi di anni) • Ma non è possibile prevedere con esattezza quando decadrà questo singolo nucleo • Tuttavia è possibile misurare quanto vivrà in media, dato un campione statistico di partenza abbastanza grande. Esempio: Se lanciate un dado è impossibile prevedere il risultato M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 7 / 43 Il tempo di vita media - I • Ciascun nucleo radiativo decadrà in tempi diversi rispetto agli altri (si può andare da frazioni di secondo a miliardi di anni) • Ma non è possibile prevedere con esattezza quando decadrà questo singolo nucleo • Tuttavia è possibile misurare quanto vivrà in media, dato un campione statistico di partenza abbastanza grande. Esempio: Se lanciate un dado è impossibile prevedere il risultato M. Fontana (INFN - CERN) Se lanciate 1000 dadi contemporaneamente e fate la media dei risultati otterrete quasi sicuramente un numero vicino a 3.5 Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 7 / 43 Il tempo di vita media - I • Ciascun nucleo radiativo decadrà in tempi diversi rispetto agli altri (si può andare da frazioni di secondo a miliardi di anni) • Ma non è possibile prevedere con esattezza quando decadrà questo singolo nucleo • Tuttavia è possibile misurare quanto vivrà in media, dato un campione statistico di partenza abbastanza grande. Esempio: Se lanciate un dado è impossibile prevedere il risultato Se lanciate 1000 dadi contemporaneamente e fate la media dei risultati otterrete quasi sicuramente un numero vicino a 3.5 Con un numero infinito di dadi la media sarà esattamente 3.5 M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 7 / 43 Il tempo di vita media - II • Come per i dadi, immaginiamo di avere un numero molto grande di nuclei radioattivi, N0 • Non ci importa del singolo nucleo ma di quanti ce ne rimangono dopo un certo intervallo di tempo • Definiamo il tempo di dimezzamento, t1/2 , come il tempo dopo il quale il numero dei nuclei iniziali si è ridotto della metà • Il numero di nuclei non decaduti, N(t) diminuisce come una funzione esponenziale col passare del tempo: t N(t) = N0 e − τ • τ è la vita media del nucleo ed è pari a τ = M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno t1/2 ln 2 ≈ t1/2 0.693 18-26 Feb 2016 8 / 43 La vita media del D 0 - I Noi misureremo la vita media del mesone D 0 • In generale il D 0 può decadere in diverse particelle • Oggi studieremo un decadimento molto frequente che è quello in un mesone K − (kaone) e un π + (pione) K− D0 π+ M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 9 / 43 La vita media del D 0 - II A livello di particelle elementari è molto simile al decadimento β dei nuclei radioattivi Secondo voi quanto tempo impiega in media un D 0 a decadere? M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 10 / 43 Dove prendiamo i dati da analizzare? All’esperimento LHCb del Centro Europeo per la Ricerca Nucleare (CERN) a Ginevra M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 11 / 43 A cosa serve LHCb? • Gli scienziati che lavorano ad LHCb vorrebbero capire perché l’Universo che osserviamo è costituito quasi totalmente di materia (particelle) e non anche di anti-materia (anti-particelle) • Materia e anti-materia sarebbero dovute essere presenti in quantità uguali durante il Big-Bang • Oggi sappiamo che in realtà materia e antimateria non si comportano esattamente nello stesso modo, ma per ora non riusciamo a spiegare l’enorme discrepanza che si osserva M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 12 / 43 LHCb dal vivo LHCb si trova in una caverna sotterranea in corrispondenza di un punto di LHC in cui i protoni vengono fatti scontrare M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 13 / 43 Per darvi un’idea delle dimensioni M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 14 / 43 LHCb visto schematicamente Questo è il punto dove due protoni si scontrano (collidono) Viene chiamato “punto di interazione” M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 15 / 43 Una collisione vera Le collisioni vengono chiamate “eventi” e usiamo dei programmi particolari per visualizzarle • A: Evento visto dall’alto • B: Evento visto come se si fosse a “cavallo di un protone” • C: Ingrandimento della regione vicino alla collisione (qualche cm) M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 16 / 43 Alla ricerca di D 0 • Per misurare la vita media del D 0 dobbiamo rivelarli, ma prima di cercarli devono essere prodotti • I D 0 vengono prodotti in due modi M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 17 / 43 Alla ricerca di D 0 • Per misurare la vita media del D 0 dobbiamo rivelarli, ma prima di cercarli devono essere prodotti • I D 0 vengono prodotti in due modi protone M. Fontana (INFN - CERN) protone Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 17 / 43 Alla ricerca di D 0 • Per misurare la vita media del D 0 dobbiamo rivelarli, ma prima di cercarli devono essere prodotti • I D 0 vengono prodotti in due modi M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 17 / 43 Alla ricerca di D 0 • Per misurare la vita media del D 0 dobbiamo rivelarli, ma prima di cercarli devono essere prodotti • I D 0 vengono prodotti in due modi M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 17 / 43 Alla ricerca di D 0 • Per misurare la vita media del D 0 dobbiamo rivelarli, ma prima di cercarli devono essere prodotti • I D 0 vengono prodotti in due modi Collisione M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 17 / 43 Alla ricerca di D 0 • Per misurare la vita media del D 0 dobbiamo rivelarli, ma prima di cercarli devono essere prodotti • I D 0 vengono prodotti in due modi 1. @ I quark che costituiscono il D 0 @ vengono prodotti inizialmente liberi @ e insieme a una miriade di altre particelle R @ Molte altre particelle M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 17 / 43 Alla ricerca di D 0 • Per misurare la vita media del D 0 dobbiamo rivelarli, ma prima di cercarli devono essere prodotti • I D 0 vengono prodotti in due modi D0 A causa della forza forte i quark si legano tra loro per formare mesoni e barioni e se siamo fortunati un D 0 M. Fontana (INFN - CERN) @ @ @ R @ Molte altre particelle Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 17 / 43 Alla ricerca di D 0 • Per misurare la vita media del D 0 dobbiamo rivelarli, ma prima di cercarli devono essere prodotti • I D 0 vengono prodotti in due modi M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 17 / 43 Alla ricerca di D 0 • Per misurare la vita media del D 0 dobbiamo rivelarli, ma prima di cercarli devono essere prodotti • I D 0 vengono prodotti in due modi 2. Invece di produrre quark c, possiamo produrre quark b ! @ @ @ R @ Molte altre particelle M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 17 / 43 Alla ricerca di D 0 • Per misurare la vita media del D 0 dobbiamo rivelarli, ma prima di cercarli devono essere prodotti • I D 0 vengono prodotti in due modi @ Che poi si legano a formare un mesone B − @ @ e poi decadono lasciandoci ancora un D 0 ! R @ Molte altre particelle M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 17 / 43 Produzione del D 0 : sommario Esistono due modi in cui si può produrre il mesone D 0 • Subito dopo la collisione tra i protoni • Passando prima per un decadimento di un mesone B M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 18 / 43 Come si rivela un D 0 ? • Poiché il D 0 decade troppo in fretta, l’unico modo di rivelarlo è andare a caccia dei suoi prodotti di decadimento: il K − e il π + • Ogni tipo di particella interagisce in modo diverso con la materia • Un rivelatore di particelle è costituito da più parti, ciascuna in grado di misurare diverse caratteristiche delle particelle M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 19 / 43 Come si fa questo in LHCb? Tracking @ @ @ @ R @ Vertexing BM B B B B B B PID OC C C Camere per muoni Calorimetri Vertice: punto di incrocio tra due tracce, che individua il punto in cui una particella decade M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 20 / 43 Come si riconoscono i prodotti di decadimento di un D 0 ? • In ogni collisione si producono molte particelle, non è semplice riconoscere quelle giuste • Una informazione che ci può aiutare è quella della massa del D 0 • In fisica della particelle, per comodità, si usano unità di misura diverse da quelle del sistema internazionale • La massa del D 0 è misurata con grande precisione mD 0 = 1864.86 ± 0.13 MeV/c 2 3 • In unità di misura “normali” questo equivale a 3.1 × 10−27 Kg !! • Ma prima vediamo come si misurano alcune quantità utili, che poi ci serviranno per controllare che massa ha il nostro D 0 e capire se è veramente un D 0 o no 3 Dal PDG, il “libro sacro” dei fisici delle particelle http://pdglive.lbl.gov/ M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 21 / 43 Impulso, o quantità di moto, di una particella • In fisica classica l’impulso è definito come → − − p =m·→ v • La relatività speciale ci insegna che la fisica classica è un’ottima approssimazione quando si ha a che fare con sistemi in cui v c • La formula corretta (relativistica) è → − − p =γ·m·→ v, 1 γ=p 1 − v 2 /c 2 In relatività ristretta, l’impulso di una particella cresce più velocemente quando essa si avvicina alla velocità della luce (che non può essere superata!) M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 22 / 43 Misura dell’impulso di particelle cariche Una particella carica elettricamente che si muove in un campo magnetico è soggetta a una forza perpendicolare alla sua direzione di modo e quindi curva → − → − − Forza di Lorentz: F = q → v ×B Usando F = ma e a = v 2 /R (moto circolare) qvB = m v2 ⇒ R = p/qB R Dove R è il raggio di curvatura M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 23 / 43 Misura dell’impulso di particelle cariche Il campo magnetico ci permette di • capire se una particella è positiva o negativa • misurare il suo impulso a partire dal raggio di curvatura M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 24 / 43 Misura della massa del D 0 • I vari rivelatori in LHCb permettono di misurare l’impulso di una particella e il suo tipo • Ma avendo rivelato un K − e un π + , come faccio a capire che vengono da un D 0 ? • Dal loro impulso posso calcolare a che massa del D 0 corrisponderebbe q q 2 2 2 2 + p2 mK mπ2 + pπ2 − 2pK pπ cos θ mD 0 = mK + mπ + 2 K • Il valore ottenuto per mD 0 ci permette di capire se i nostri K − e π + vengono effettivamente da un D 0 e sono quindi SEGNALE, oppure se sono combinazioni casuali di K − e π + prodotti direttamente dall’interazione tra i protoni ma che niente hanno a che vedere con un D 0 e sono quindi FONDO • In generale troveremo un misto di eventi di SEGNALE e di FONDO. Normalmente il FONDO è molto più grande del segnale. La massa invariante ci aiuterà a ridurre il FONDO per rendere il segnale più evidente, ma non è l’unica arma... M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 25 / 43 Quanto spazio percorre un D 0 ? Ora devo rivelarvi il “risultato” dell’esercizio, ma è per una buona causa... • Il tempo medio di vita di un D 0 è (410.1 ± 1.5) × 10−15 s • Lo spazio percorso dipenderà anche dalla sua velocità, che alle energie in gioco a LHC possiamo benissimo assumere che sia praticamente la velocità della luce • Lo spazio percorso x sarà quindi x ≈ c · τ = 3.0 · 108 m/s · 410 · 10−15 s = 155 µm • Questa distanza è piccolissima, se il D 0 vola cosı̀ poco non possiamo distinguere SEGNALE da FONDO M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 26 / 43 Quanto spazio percorre un D 0 secondo Einstein? • Abbiamo detto che il D 0 si muove a velocità prossime a quelle della luce, ma senza pensarci troppo abbiamo usato una formula classica per calcolare quanto volasse • Einstein ci insegna che la vita media che uno misurerebbe stando a cavallo del D 0 non è la stessa che uno misura a LHC • La formula corretta è x =γ·β·c ·τ β= v c • Quindi il D 0 vola molto di più! Considerando che a LHCb le particelle hanno tipicamente γβ = p/m ≈ 40, risulta che x = 0.6 cm • E questa distanza è abbastanza grande da essere misurata a LHCb! M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 27 / 43 Riveliamo il D 0 ! • Dall’incrocio delle traiettorie del K − e π + e dalla posizione del vertice primario (dato da una miriade di altre tracce nell’evento) riusciamo a capire quanto spazio ha percorso il nostro candidato D 0 M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 28 / 43 L’esercizio di oggi M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 29 / 43 Obiettivi 1 Riempire un istogramma contenente la massa del D 0 , selezionando un K − e un π + per ogni evento 2 Misurare il valore della massa del D 0 3 Fare l’istogramma del tempo di vita media, dell’impulso trasverso e del parametro d’impatto per il SEGNALE e per il FONDO 4 Misurare la vita media del D 0 5 Grafico della vita media in funzione del paramtero d’impatto massimo Nell’esercizio considereremo anche anti-D 0 che decadono in un K + e un π − (notate le cariche opposte) M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 30 / 43 Obiettivo 1 • Il programma visualizza le tracce ricostruite dopo una interazione protone-protone in LHCb • Tra tutte le tracce di un evento trovate: • una coppia K − π + (o K + π − ) • la cui misura degli impulsi opportunamente combinata restituisca un valore di massa vicino a quello del D 0 • il punto in cui le due tracce si intersecano (dove il D 0 decade) sia distaccato dal vertice primario (quello da cui vengono la maggior parte delle tracce) • Quando abbiamo riconosciuto molti eventi, li salviamo e facciamo un istogramma della massa, cosa otteniamo? M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 31 / 43 Cosa è un istogramma? Se facciamo un certo numero di misure della stessa quantità, possiamo classificarla in “bin” • Ogni bin è un rettangolo nel grafico • Se misuro per esempio 0.7, aumento di 1 l’altezza del bin 8 • L’altezza del bin 8 rappresenta il numero di volte che ho ottenuto un numero compreso tra 0.5 e 1 M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 32 / 43 Obiettivo 1 - cosa dovreste ottenere M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 33 / 43 Obiettivo 2 Gli eventi raccolti nell’obiettivo 1 sono troppo pochi per una misura precisa. Il programma vi fornisce un istogramma già riempito con tanti eventi • Ogni bin ha una incertezza (statistica), infatti meno misure facciamo, più aumentano le fluttuazioni statistiche dovute al caso • L’incertezza diminuisce all’aumentare del numero di misure • Si dimostra che l’incertezza statistica √ per un bin con N eventi è pari a N • Quando il numero di misure è molto grande, l’incertezza su ogni bin diminuisce e la forma dell’istogramma si avvicina alla “distribuzione” della stessa variabile (ossia la forma che l’istogramma avrebbe se ci fossero infiniti eventi e bin infinitamente stretti) M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 34 / 43 Obiettivo 2 - SEGNALE Nell’istogramma è visibile una regione di SEGNALE M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 35 / 43 Obiettivo 2 - FONDO E due regioni di FONDO M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 36 / 43 Obiettivo 2 - Fit Adattare (fare un fit) un modello parametrico ai dati: • Ipotizziamo che la forma dell’istogramma se ci fosse solo SEGNALE sia descritto da una funzione Gaussiana (x−µ)2 1 y = √ e − 2σ2 σ 2π • Ipotizziamo invece che la forma del FONDO sia una retta y = ax + b La procedura di “fit” cerca il valore dei parametri che meglio si adattano ai dati ll valore del parametro µ rappresenta la misura di mD 0 che vogliamo confrontare col PDG. M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 37 / 43 Obiettivo 3 - Regioni di segnale o fondo σ rappresenta la larghezza della Gaussiana (più il rivelatore è preciso più σ diventa piccola) Selezioniamo la regione di SEGNALE come quella contenuta entro 3 volte σ dal valore di mD 0 ottenuto, per le proprietà della Gaussiana, qui dentro dovrebbe esserci circa il 99% del SEGNALE Le regioni che rimangono saranno invece regioni di FONDO M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 38 / 43 Obiettivo 3 - Istogrammi di segnale e di fondo Avendo definito delle regioni, possiamo fare gli istogrammi di alcune variabili separando i due casi Impulso “trasverso” del D 0 , ossia la componente dell’impulso perpendicolare alla direzione dei protoni, i veri D 0 tendono ad averlo più grande rispetto al FONDO M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 39 / 43 Obiettivo 3 - Istogrammi di segnale e di fondo Avendo definito delle regioni, possiamo fare gli istogrammi di alcune variabili separando i due casi Parametro d’impatto del D 0 , IP, più complicato da descrivere. Se il D 0 è prodotto direttamente dalla collisione tra protoni, esso “punta” al vertice primario, ma questo non è sempre vero per i D 0 che vengono da B M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 39 / 43 Obiettivo 3 - Istogrammi di segnale e di fondo Avendo definito delle regioni, possiamo fare gli istogrammi di alcune variabili separando i due casi Finalmente, il tempo di vita media τ= L m pc M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 39 / 43 Obiettivo 4 - Misura della vita media del D 0 t Ora facciamo un altro fit per adattare la funzione N = N0 · e − τ alla distribuzione del tempo di vita del SEGNALE M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 40 / 43 Obiettivo 4 - Misura della vita media del D 0 t Ora facciamo un altro fit per adattare la funzione N = N0 · e − τ alla distribuzione del tempo di vita del SEGNALE Com’è confrontata a quella del PDG? Abbiamo ottenuto il numero corretto? M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 40 / 43 Obiettivo 5 Che succede se rimuoviamo gli eventi con parametro di impatto grande? M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 41 / 43 Obiettivo 5 Che succede se rimuoviamo gli eventi con parametro di impatto grande? Il tempo di vita diminuisce al diminuire dell’IP massimo permesso, perchè? M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 41 / 43 Produzione del D 0 , vi ricordate? Esistono due modi in cui si può produrre il mesone D 0 • Subito dopo la collisione tra i protoni • Passando prima per un decadimento di un mesone B M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 42 / 43 Obiettivo 5 Rimuovendo eventi con grande IP abbiamo rimosso D 0 provenienti da B. Per questi eventi il tempo di decadimento misurato era la somma di quello del B e quello del D 0 e per questo ci veniva più grande Il valore di τ diviene più simile a quello del PDG ma non identico. Ci sono altri “dettagli” che non abbiamo considerato, la “contaminazione” dei D 0 da B è solo un assaggio! M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 43 / 43 Backup M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 44 / 43 Cosa è un mesone D 0 ? Partiamo dall’atomo La materia che ci circonda è fatta di atomi che sono a loro volta composti da altre particelle più “elementari” • Elettroni: particelle di carica negativa. Sono particelle “elementari”, ossia non hanno una struttura interna = non sono composti da niente di più elementare • Nucleo, composto da: • protoni: stessa carica elettrica degli elettroni ma positiva • neutroni: carica elettrica nulla Il protone e il neutrone sono particelle composte da quark, che al momento si ritengono elementari (come gli elettroni) M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 45 / 43 Quark Che struttura hanno i neutroni e i protoni? Protone Neutrone Protoni e neutroni sono formati da quark up e down che hanno carica elettrica frazionaria di 2/3 e -1/3 rispettivamente e sono tenuti insieme dalla forza forte (gli atomi sono tenuti insieme dalla forza elettromagnetica) M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 46 / 43 Le antiparticelle • Oltre all’elettrone e ai quark up e down esistono delle altre particelle! • Per esempio le antiparticelle: anti-elettrone (o positrone, e + ), ¯ anti-quark up (ū) e anti-quark down (d) • Le antiparticelle sono identiche alle particelle ma hanno carica elettrica opposta (semplificando parecchio le cose!) e possono formare stati legati anti-Protone M. Fontana (INFN - CERN) anti-Neutrone Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 47 / 43 Le antiparticelle • Oltre all’elettrone e ai quark up e down esistono delle altre particelle! • Per esempio le antiparticelle: anti-elettrone (o positrone, e + ), ¯ anti-quark up (ū) e anti-quark down (d) • Le antiparticelle sono identiche alle particelle ma hanno carica elettrica opposta (semplificando parecchio le cose!) e possono formare stati legati anti-Protone anti-Neutrone Pensate che è possibile fabbricare degli anti-atomi, aggiundendo degli M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 47 / 43 Barioni e mesoni • Particelle formate da tre quark (o tre anti-quark), come protone e neutrone, si chiamano genericamente barioni • Particelle formate da un quark e un antiquark sono chiamate mesoni • Un esempio di mesone è il pione (π) π+ Esiste anche l’antiparticella π − , formata da ū e d! Secondo voi esiste anche il π 0 ? E da cosa è composto? Sembra che abbiamo fatto tutte le combinazioni di quark, e vi ho detto che il D 0 è un mesone. Può essere una combinazione di u e d? M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 48 / 43 Il Modello Standard Esistono molte altre particelle “elementari” che fanno parte del Modello Standard della fisica delle particelle • Costituenti della materia M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 49 / 43 Il Modello Standard Esistono molte altre particelle “elementari” che fanno parte del Modello Standard della fisica delle particelle • Costituenti della materia • Quark M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 49 / 43 Il Modello Standard Esistono molte altre particelle “elementari” che fanno parte del Modello Standard della fisica delle particelle • Costituenti della materia • Quark • Leptoni M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 49 / 43 Il Modello Standard Esistono molte altre particelle “elementari” che fanno parte del Modello Standard della fisica delle particelle • Costituenti della materia • Quark • Leptoni • 3 “Famiglie” Prima famiglia, materia ordinaria Particelle descritte finora + νe (neutrino elettronico) M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 49 / 43 Il Modello Standard Esistono molte altre particelle “elementari” che fanno parte del Modello Standard della fisica delle particelle • Costituenti della materia • Quark • Leptoni • 3 “Famiglie” Seconda famiglia simile alla prima ma un po’ più “pesante” M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 49 / 43 Il Modello Standard Esistono molte altre particelle “elementari” che fanno parte del Modello Standard della fisica delle particelle • Costituenti della materia • Quark • Leptoni • 3 “Famiglie” Terza famiglia ancora più pesante M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 49 / 43 Il Modello Standard Esistono molte altre particelle “elementari” che fanno parte del Modello Standard della fisica delle particelle • Costituenti della materia • Quark • Leptoni • 3 “Famiglie” • Particelle mediatrici di forza • Fotone (γ): forza elettromagnetica • W ± e Z : forza elettrodebole (responsabile della radioattività) • Gluone g : forza forte, tiene insieme barioni e mesoni M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 49 / 43 Il Modello Standard Esistono molte altre particelle “elementari” che fanno parte del Modello Standard della fisica delle particelle • Costituenti della materia • Quark • Leptoni • 3 “Famiglie” • Particelle mediatrici di forza • Fotone (γ): forza elettromagnetica • W ± e Z : forza elettrodebole (responsabile della radioattività) • Gluone g : forza forte, tiene insieme barioni e mesoni • Sapete cosa è il bosone di Higgs? M. Fontana (INFN - CERN) Scienziati per un giorno 18-26 Feb 2016 49 / 43