Lezione VII

Corso di Fenomenologia delle Interazioni Fondamentali
LM in Fisica, AA 2014-15
Silvia Arcelli
Scoperta delle Correnti Neutre, Angolo di Weinberg,
i bosoni mediatori W e Z
17 Marzo 2015
1
Scoperta delle Correnti Neutre, Angolo di
Weimberg, i bosoni mediatori W e Z
• Scoperta delle Correnti Neutre
• Prime misure dell’angolo di Weimberg
• Scoperta di W e Z all’SPPS
• Slides al link: http://www.bo.infn.it/~arcelli/LezioniFIF.html
• Rif: Bibliografia sul sito del corso
2
Scoperta delle Correnti Neutre
•Nell’ambito del Modello Standard, per garantire la convergenza della teoria
occorre postulare la presenza di un mediatore massivo neutro accanto ai mediatori
carichi W+-
•La loro esistenza apriva però la possibilità di FCNC, con previsioni di diversi ordini
di grandezza superiori a quanto sperimentalmente osservato in decadimenti rari
dei mesoni K, come ad esempio:
Il meccanismo GIM e il mescolamento del Flavour nel settore dei quark
spiega l’assenza di FCNC e preserva la possibilità dell’esistenza del bosone
intermedio neutro.
Scoperta delle Correnti Neutre
Durante gli anni 60, Glashow, Weimberg e Salam formularono una teoria di Gauge
delle interazioni elettrodeboli, che, insieme al meccanismo di rottura spontanea della
simmetria (meccanismo di Higgs)consentiva di unificare interazione debole ed
elettromagnetica .
La teoria di Glashow, Weimberg e Salam (GWS), pur consentendo la presenza di bosoni
mediatori massivi (normalmente vietati in una teoria di gauge) e facendo definite
previsioni sulle masse di W,Z fu a lungo “ignorata”. Nel 1970-71 Veltman e ‘t Hooft
dimostrarono che la teoria era rinormalizzabile e questo avanzamento teorico diede
nuovo vigore alla ricerca sperimentale delle correnti neutre.
In generale, a basse energie l’interazione dei fermioni attraverso lo scambio di Z è
completamente “mascherata” da processi analoghi mediati dal fotone, che
costituiscono i contributi dominanti. Le uniche interazioni in cui si può isolare il
contributo della corrente neutra di Z è in interazioni di neutrini, in cui non è ammesso
lo scambio di fotone.
Scoperta delle Correnti Neutre
La scoperta delle correnti neutre avvenne nel 1973, in interazioni di neutrini ed
antineutrini su nucleoni, dall’esperimento con camera a bolle Gargamelle:
•Circa 6 m3 di freon liquido (X0 11 cm,int
=60 cm)) ad alta pressione, a una
temperatura appena sotto al punto di
ebollizione. Bersaglio e rivelatore per le
interazioni dei neutrini/antineutrini
•In concomitanza di un trigger che segnala
l’arrivo di un neutrino, la pressione viene
abbassata. Ebollizione in prossimità della
ionizzazione generata dai prodotti
dell’interazione , che viene fotografata.
•Impulso misurato dalla curvatura in campo
magnetico
Scoperta delle Correnti Neutre
Neutrini (o antineutrini) provenienti dal decadimento in volo di pioni secondari
(positivi o negativi) generati in interazioni di protoni del Proton Syncrotron (PS)
con un bersaglio posto sulla linea di fascio estratto
• Prevalentemente neutrini (o antineutrini) muonici
•Energia media dei neutrini dell’ordine del GeV
•Sezioni d’urto molto basse
L’obiettivo dell’esperimento era di rivelare interazioni di neutrini (antineutrini)
che NON contenessero un muone (che invece fa parte dello stato finale di
interazioni in corrente carica). Attraverso l’osservazione di questi eventi Gargamelle
dimostrò l’esistenza delle correnti deboli neutre, e quindi del bosone Z e produsse
la prima misura di un parametro fondamentale del modello di GWS, l’angolo di
Weinberg w
Scoperta delle Correnti Neutre
Primo evento di corrente neutra osservato da Gargamelle nel 1973:
Scattering in canale t
dell’antineutrino con
un elettrone del bersaglio
Nel periodo di presa dati di 2 anni, furono osservati solo 3 eventi di
questo tipo (1.4 milioni di cicli di acceleratore, con 109 neutrini per
ciclo).
Scoperta delle Correnti Neutre
Segnatura sperimentale di processo a corrente neutra:
•Elettrone isolato
•Radiazione di Fotoni di
di bremsstrahlung,
dall’elettrone
•Conversione dei fotoni
in coppie e+e-
N.B. Se si fossero utilizzati neutrini/antineutrini elettronici, questa segnatura
sarebbe stata altrettanto inequivocabile circa l’esistenza della corrente neutra?
Correnti Neutre, neutrino scattering
Scattering neutrini (antineutrini) muonici
Scattering neutrini (antineutrini) elettronici
anche contributo in Corrente Carica
9
Modello di Glashow-Weinberg-Salam
• La scoperta delle correnti neutre è stata una conferma sperimentale molto
significativa del Modello di GWS delle interazioni elettrodeboli (Nobel nel 1976 a
Glashow, Weinberg e Salam)
SU(2) L U (1)Y
Gruppo non abeliano di isospin debole
Gruppo abeliano di ipercarica debole
A cui sono associate due costanti di accoppiamento g e g’, e 4 bosoni vettoriali
inizialmente massless:


W1 , W2 , W3

B
Relazione fra isospin debole T, ipercarica Y,
e carica elettrica Q (Gell Mann-Nishima):
Y
Q  T3 
2
Modello di Glashow-Weinberg-Salam
Leptoni
Quark
Modello di Glashow-Weinberg-Salam
• I 4 Bosoni così definiti NON corrispondono a stati fisici: ridefinendo gli stati fisici come
una combinazione dei campi originari:


A   B  cos W  W3 sin W

( W1  iW2 )

W 
2

Z    B  sin W  W3 cos W
Da questa ridefinizione discende direttamente l’unificazione dell’ accoppiamento
debole ed elettromagnetico:
e  g  sin W  g ' cos  W
introducendo il meccanismo di rottura spontanea della simmetria, tre bosoni vettoriali
acquistano massa(W, Z) e un mediatore vettore resta di massa nulla (il fotone)
Relazione fra masse dei
Mediatori e angolo di mixing
fissata dal meccanismo di SSB:
 MW
sin  W  1  
 MZ
2



2
Modello di Glashow-Weinberg-Salam
• Correnti deboli, fattori di vertice nell’accoppiamento ai fermioni:
e+
CC:
-i
g 1

(1   5 )
2
2
W+

e+
NC:
g
1
-i
  (cV  c A 5 )
cos W
2
Z0
e-
Accoppiamenti vettoriali e assiali
delle Correnti Neutre:
cV  T3  2Q f sin 2 W
c A  T3
Modello di Glashow-Weinberg-Salam
• Un altro modo di vedere gli accoppiamenti della Z0 ai fermioni:
cV  c A
 Q f sin 2 W
2
cV  c A
cL 
 T3  Q f sin 2 W
2
cR 
Accoppiamenti a fermioni
destrorsi e sinistrorsi
• Alcuni esempi:
In generale entrambi CR e CL sono diversi da 0, a parte il caso dei neutrini con CR =0.
Modello di Glashow-Weinberg-Salam
•I bosoni W sono una combinazione di due dei tre mediatori del gruppo di isospin
debole: si accoppiano sono a fermioni sinistrorsi. Struttura del vertice V-A pura,
violazione della parità massimale
• La Z0 è una miscela di campi, il W0 dell’isospin debole e di B del gruppo di
ipercarica. Come conseguenza, si accoppia non solo a fermioni sinistrorsi, ma
anche a fermioni destrorsi, con intensità definite dai coefficenti CA e CV. Parità
comunque violata.
•Il fotone si accoppia in maniera “democratica” a fermioni destrorsi e sinistrorsi.
Le interazioni elettromagnetiche conservano la parità
•Per poter fare previsioni, quanto meno a livello “albero”, quante quantità devono
essere misurate sperimentalmente (ovviamente con la massima precisione
possibile?)
La Prima Misura di sin2w
Sempre nell’esperimeno Gargamelle, si osservarono anche eventi di corrente neutra
derivanti da scattering sui nucleoni,che producevano uno sciame adronico isolato:
Sezione d’urto maggiore (più
statistica) rispetto agli eventi di
scattering su elettrone ma
segnatura meno “pulita” (fondo da
neutroni prodotti in CC che
“sforano” dall’assorbitore)
La Prima Misura di sin2w
Fondo da neutroni
prodotti nell’assorbitore posto
prima del rivelatore da
Interazioni in CC di neutrini
17
La Prima Misura di sin2w
Questi eventi furono usati per misurare per la prima volta l’angolo di Weinberg.
•L’angolo di Weinberg compare solo negli accoppiamenti della corrente
neutra, non in quelle della corrente carica dovuta allo scambio di W
•Il rapporto delle sezioni d’urto in corrente neutra e in corrente carica
è sensibile a questo parametro, in modo differente per neutrini ed
antineutrini, ed è indipendente da alcune incertezze sperimentali quali
la conoscenza del flusso di neutrini/antineutrini
Misurare gli eventi derivanti da interazioni di neutrini ed antineutrini sui
nucleoni del bersaglio, sia in corrente neutra che in corrente carica
La Prima Misura di sin2w
eventi di scattering in corrente carica (con scambio di W):
•Segnatura: muone con carica di segno
“concorde” con il neutrino/antineutrino
•Sciame adronico che accompagna il muone
•Fondamentali per la normalizzazione degli
eventi in corrente neutra nella determinazione
dell’angolo di Weinberg
La Prima Misura di sin2w
Se si ignorano gli effetti di scattering sui quark del “mare” (correzione a livello del
10-20%) i rapporti delle sezioni d’urto in corrente carica e neutra sono
rispettivamente, per neutrini ed antineutrini:
I dati di Gargamelle permisero quindi di dare la prima misura di un parametro
fondamentale del modello di GWS:
Con esperimenti equipaggiati di rivelatori elettronici (CDHS; CHARM), e utilizzando
come processo di riferimento lo scattering di neutrini con elettroni, fu possibile
successivamente raffinare la misura:
Scoperta delle correnti neutre
Si noti che le sezioni d’urto di scattering sui fermioni del bersaglio non sono uguali
per neutrini e antineutrini, ma c’è un fattore 3 dovuto alla chiralità: