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Perché LHC? il Modello Standard e il bosone di Higgs: 

Perché LHC? il Modello Standard e il bosone di Higgs Paolo Gambino INFN Torino

Slide2: 

La ricerca di semplicità in fisica

Il cammino verso l’unificazione dei fenomeni fisici inizia con Newton: 

Il cammino verso l’unificazione dei fenomeni fisici inizia con Newton che con la sua teoria gravitazionale unifica (descrive con le stesse leggi) fenomeni terrestri e celesti

Le interazioni fondamentali: 

Le interazioni fondamentali Le particelle di materia interagiscono tra loro scambiandosi bosoni la forza può essere attrattiva o repulsiva

4 interazioni fondamentali: 

4 interazioni fondamentali elettromagnetiche deboli forti gravitazionali Forza elettromagnetica tiene insieme gli atomi spiega tutti i fenomeni em & ottici raggio d’azione infinito schermata a grandi distanze mediata dal fotone

interazioni deboli: 

interazioni deboli Decadimenti β Decadimento del muone spiegano radioattività naturale, sono deboli solo a bassa energia mediate da W e Z, raggio d’azione molto piccolo

4 interazioni fondamentali: 

4 interazioni fondamentali elettromagnetiche deboli forti gravitazionali elettrodeboli MODELLO STANDARD Non c’è ad oggi evidenza di una struttura dell’elettrone e dei quark Tengono insieme i nuclei confinano i quark nei protoni sono mediate da gluoni

4 interazioni fondamentali: 

4 interazioni fondamentali elettromagnetiche deboli forti gravitazionali Relatività generale Einstein 1916 Una teoria quantistica consistente della gravitazione non esiste

4 interazioni fondamentali: 

4 interazioni fondamentali elettromagnetiche deboli forti gravitazionali elettrodeboli MODELLO STANDARD GUTs ? Stringhe ? tutte le interazioni dettate da un principio di simmetria (simmetria di gauge) E’ possibile unificare tutte le forze utilizzando simmetrie più ampie?

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I Nobel del Modello Standard Nobel 1979 GLASHOW, SALAM and WEINBERG teoria unificata delle forze elettrodeboli e magnetiche Nobel 1999 T’HOOFT e VELTMAN rinormalizzabilità del MS Nobel 2004 GROSS, POLITZER, WILZCEK teoria interazioni forti

Simmetrie: 

Simmetrie In fisica parliamo di simmetria quando un sistema e’ invariante rispetto a una certa trasformazione (per es di coordinate) Le simmetrie possono essere discrete oppure continue A ogni simmetria continua corrisponde la conservazione di una grandezza fisica. Le simmetrie dello spazio tempo determinano le leggi della meccanica: inv. per traslazioni  conservazione del momento

La simmetria detta la dinamica: 

La simmetria detta la dinamica Prima del XX secolo, era noto che le leggi della meccanica (Newton) sono invarianti per trasformazioni tra sist inerziali. Einstein (1905) postula l’invarianza per trasformazioni di Lorentz la usa con l’invarianza di gauge per derivare le eq di Maxwell  F=4/c J   F=0 Un procedimento simile sta alla base della relatività generale (1916): postula l’invarianza delle leggi di natura per cambiamenti locali di coordinate spazio-temporali (principio di equivalenza) Il modello standard è una teoria di gauge in cui l’invarianza è rispetto a rotazioni locali generalizzate in uno spazio interno

Particle physics in one page: 

Particle physics in one page Riccardo Barbieri

Materia e quanti d’interazione: 

Materia e quanti d’interazione Elettroma gnetica debole forte gravita zionale FERMIONI spin 1/2 BOSONI spin 1 o 2 doppietti elettrodeboli: le due particelle sinistrorse sono manifestazioni diverse di una stessa particella

3 generazioni: lo zoo delle particelle ridotto a mattoni fondamentali: 

3 generazioni: lo zoo delle particelle ridotto a mattoni fondamentali A prima vista solo la prima famiglia entra nella vita di tutti i giorni Raggi cosmici Per osservare i mattoni più pesanti sono necessari gli acceleratori

Due strade complementari per osservare gli effetti di nuove particelle: 

Due strade complementari per osservare gli effetti di nuove particelle Produzione diretta Ricerca indiretta Anche particelle pesanti come l’H contribuiscono alle interazioni d’alta energia sebbene soppresse (loops) Storicamente segnali indiretti hanno sovente anticipato scoperte dirette (charm, top...) X nuova fisica nel g-2 del muone?

Il sito di LEP e LHC al CERN di Ginevra: : 

Il sito di LEP e LHC al CERN di Ginevra: CERN Ginevra

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LHC Experiments

La lezione di LEP: 

La lezione di LEP LEP non ha scoperto nuove particelle ma confermando le interazioni di gauge del MS allo 0.1% ha cambiato la fisica Oggi crediamo che la simmetria di gauge sia corretta e abbia un significato profondo nonostante sia incompatibile con le masse

La simmetria nascosta: 

La simmetria nascosta Il MS unifica interazioni deboli & elettromagnetiche, sebbene esse abbiano raggio d’azione molto diverso... La simmetria che le unifica è nascosta! In natura è piuttosto comune che lo stato a più bassa energia non sia quello simmetrico: es. ferromagnete sotto la temperatura di Curie

Rottura spontanea di simmetria: 

Rottura spontanea di simmetria Lo stato di minima energia (il vuoto) non è simmetrico: la simmetria è nascosta

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Solo ad alte energie la simmetria nascosta diventa evidente

Il mistero dell’Higgs : 

Il mistero dell’Higgs Il vuoto deve perciò avere certe proprietà Deve esistere qualcosa X che rompe la simmetria del vuoto una nuova interazione fondamentale con X dà massa alle particelle Può essere un nuovo campo elementare (BOSONE di HIGGS) o la manifestazione di una nuova interazione (technicolor) Le misure di precisione favoriscono la prima soluzione, la più economica, propria del MS. La massa dell’Higgs è l’ultimo parametro sconosciuto del MS, deve essere <600GeV Il meccanismo di rottura della simmetria elettrodebole è il problema centrale della fisica delle particelle attuale X

Che cosa sappiamo dell’Higgs?: 

Che cosa sappiamo dell’Higgs? Ricerche dirette a LEP MH>114.4 GeV Piccolo eccesso osservato da Aleph negli ultimi mesi di LEP a MH~115 GeV, ma la significanza statistica è bassa

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Ricerche indirette di nuove particelle sono come le ricerche indirette di buchi neri attraverso i loro effetti gravitazionali sul moto delle galassie richiedono misure molto precise e calcoli altrettanto precisi

I test di precisione e il top: 

I test di precisione e il top 1994: i fit alle misure di pre cisione (LEP ecc.) danno Mtop=177±11±19 GeV 1994: top quark scoperto a Fermilab con Mtop=174±10±13 GeV Grande successo del MS e del programma sperimentale Si può ripetere con l’Higgs? Putroppo la sensitività a MH è molto più debole ~log MH

Che cosa sappiamo dell’Higgs (II): 

Che cosa sappiamo dell’Higgs (II) Netta preferenza per un Higgs leggero, sotto i 250GeV, valore centrale poco sopra limite diretto GLOBAL EWWG FIT

Se c’è, l’Higgs verrà scoperto: 

Se c’è, l’Higgs verrà scoperto

Perché non crediamo nel MS: 

Perché non crediamo nel MS tanti parametri (18 masse e mixing), 3 repliche,senza spiegazione incompleto: e la gravità? Perché è così debole? non prevede masse per i neutrini, nè può spiegarne la piccolezza non spiega la materia oscura osservata, nè la bariogenesi Il MS ha passato molti test, eppure anche se l’Higgs venisse trovato

La scommessa di LHC: 

La scommessa di LHC Il MS deve avere un completamento che ancora non conosciamo. Ma è una teoria protetta da effetti di scale alte (renormalizzabile). L’estrapolazione del MS ad alte energie è problematica: la gerarchia (18 ordini di grandezza) tra scale di Fermi e di Planck è instabile proprio a causa dell’Higgs. La densità di materia oscura suggerisce novità a scale vicine Ci aspettiamo Nuova Fisica sotto il TeV! Trovare l’Higgs è parte di un progetto più ambizioso: capire l’origine della rottura di simmetria che genera le masse e la natura della scala elettrodebole

Il futuro è supersimmetrico?: 

Il futuro è supersimmetrico? La supersimmetria è un’idea bellissima: simmetria tra particelle con spin diverso bosoni  fermioni Risolve alcuni problemi del MS, ma è rotta ! E non sappiamo nulla del meccanismo di rottura... Ha un settore di Higgs esteso e uno spettro ricchissimo. L’Higgs più leggero deve essere <135GeV chargini, neutralini, gluini, squark, sleptoni, gravitini, goldstini... g-2 del muone?

LHC: il punto di svolta: 

LHC: il punto di svolta Il Modello Standard funziona benissimo, molto meglio di quanto ci si aspettasse. LHC, scoprendo l’Higgs o ciò che lo simula, permetterà di incominciare a capire come completarlo

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The way to the future

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