Fenomenologia del modello standard delle particelle elementari

A.A. 2016/2017
6
Crediti massimi
48
Ore totali
Lingua
Italiano
Obiettivi formativi
Gli studenti comprenderanno la fisica delle particelle fondamentali e le loro interazioni, come descritte nel Modello Standard delle particelle elementari, sia dal punto di vista formale, sia da quello delle tecniche sperimentali. Piu` specificamente:
- le lagrangiane della QED, QCD, e modello elettrodebole, i campi fisici e termini di interazione, il calcolo al livello-albero di sezioni d'urto e larghezze di decadimento
- i fondamenti sperimentali della QCD che hanno evidenziato la composizione a partoni del protone, la produzione di quark e di gluoni, l'evidenza del colore
- le misure di precisione nella fisica elettrodebole che hanno consentito di verificare il Modello Standard a precisioni del per mille
- le principali caratteristiche della fisica ai collider adronici, le tecniche sperimentali per identificare particelle e getti e per misurare sezioni d'urto
- le tecniche statistiche per estrarre dai dati misure di quantita` con un dato livello di confidenza, per fare test di ipotesi, scoprire o escludere nuovi segnali di fisica
- le proprieta` previste per il bosone di Higgs e le tecniche sperimentali utilizzate per la sua scoperta e le misure delle sue proprieta`
- cenni sulle teorie supersimmetriche, sulla fenomenologia predetta e sugli attuali limiti sperimentali
Programma e organizzazione didattica

Edizione unica

Responsabile
Periodo
Secondo semestre
Programma
Richiami ad argomenti precedenti
- campi scalari, vettoriali, fermionici
- interazioni: regole di Feynman, matrice di transizione, regola aurea di Fermi, sezione d'urto, larghezza di decadimento
- interazioni elettromagnetiche, scattering di fermioni carichi, correnti fermioniche
- modello di Fermi delle interazioni deboli, correnti cariche, violazione dell'unitarieta`
- teorie di gauge abeliane, QED
- teorie di gauge non abeliane (Yang-Mills)

Cromodinamica quantistica (QCD)
- scattering elastico e-p: fattori di forma del protone
- scattering inelastico e-p: funzioni di struttura del protone, scaling di Bjorken ed evidenza dei "partoni" all'interno del protone
- funzioni di distribuzione partonica (PDF), sezione d'urto adronica e partonica
- produzione di quark-antiquark in collisioni e+e-, getto adronici, sfericita`e thrust, evidenza del fattore di colore
- formulazione della QCD come teoria di gauge non-abeliana, gruppo SU(3), i gluoni come mediatori dell'interazione forte, running di alpha_S, liberta` asintotica e confinamento del colore
- produzione di gluoni in collisioni e+e-, eventi a tre getti adronici, misura di alpha_S
- gluoni nelle PDF, violazione dello scaling di Bjorken, evoluzione delle PDF, equazioni di Altarelli-Parisi

Interazioni elettrodeboli
- interazioni EW: gruppo di simmetria SU(2)xU(1), campi fermionici e vettoriali, lagrangiana
- campi fisici W+,W-,Z, fotone, angolo di Weinberg
- problema delle masse, rottura di simmetria, meccanismo di Higgs, bosone di Higgs

Misure di precisione della fisica elettrodebole alle collisioni e+e-
- la reazione e+e- --> Z -->f fbar, accoppiamenti vettoriale e assiale C_V, C_A, calcolo di larghezza di decadimento, branching-ratios e sezioni d'urto
- identificazione di particelle in un rivelatore, ricostruzione di getti adronici, identificazione di stati finali
- misure di luminosita` e di sezioni d'urto
- misura dell'energia dei fasci di e+/e-
- misure di "line-shape": massa della Z, larghezza di decadimento, sezioni d'urto e asimmetrie avanti-indietro, estrazione di C_V, C_A
- conteggio delle famiglie di neutrini leggeri
- identificazione di quarks "pesanti" (bottom, charm), misure di branching-ratio e asimmetrie per quarks pesanti
- osservazione di bosoni W+/W- in collisioni e+e-, sezione d'urto, misura della massa m_W
- correzioni virtuali alla reazione e+e- --> Z -->f fbar, sensibilita` a loop del quark top e del bosone di Higgs
- ricerca del bosone di Higgs a LEP

Fisica ai colliders adronici e a LHC
- cinematica ai colliders adronici, variabili di Mandelstam, rapidita`
- processo "hard-scattering", sezione d'urto adronica e partonica, PDFs, underlying event
- vantaggi e svantaggi dei colliders adronici rispetto a quelli e+e-
- misura di luminosita` ai colliders adronici
- fisica a LHC: sezioni d'urto dei processi tipici, pile-up
- struttura dei rivelatori, identificazione di particelle, algoritmi di raggruppamento di getti (jet clustering), calibrazione, impulso trasverso mancante, identificazione di quark b
- misure di sezioni d'urto, efficienza, accettanza, regioni fiduciali, stime dei fondi (background) riducibili e irriducibili, regioni di controllo, "unfolding" degli effetti sperimentali
- esempi: misure di sezioni d'urto di eventi con uno o due fotoni, e di eventi t-tbar

Tecniche di analisi statistica
- Estimatore e sue proprieta`
- Funzione di likelihood (verosimiglianza), estimatori basati sulla maximum likelihood e loro proprieta`, esempi vari, parametri di interesse e parametri di disturbo
- Statistica frequentista, intervallo di confidenza, copertura
- La "profiled likelihood ratio" (PLR) e le sue proprieta` statistiche, teorema di Wilk, regione di confidenza, trattazione dei parametri di disturbo
- Test di ipotesi, "test size", "test power", livello di confidenza
- Ipotesi semplici e complesse, statistica di test, p-valore, lemma di Neyman-Pearson e "likelihood ratio"
- Test dell'ipotesi di solo background, criteri di "scoperta"
- Test dell'ipotesi di background+segnale, criteri di "esclusione"
- Ipotesi complesse, PLR modificate, criteri di scoperta ed esclusione, trattazione degli effetti sistematici

Fisica del bosone di Higgs
- proprieta` previste per il bosone di Higgs: larghezza, branching-ratios, sezione d'urto
- produzione di Higgs a LHC, caratteristiche teoriche e "segnature" sperimentali
- scoperta del bosone di Higgs: osservazione di una risonanza che decade in due fotoni e in 4 leptoni, eccesso di eventi con stato finale W+W-, stima dei fondi, significanza statistica
- osservazione di Higgs in tau+tau-
- misura della massa del bosone di Higgs
- misure di sezioni d'urto e di accoppiamenti del bosone di Higgs con altre particelle
- misure di spin e di parita`

Cenni di supersimmetria (SUSY)
- motivazioni per un estensione del Modello Standard
- formulazione teorica della SUSY, estensione del Modello Standard
- fenomenologia dei principali modelli SUSY
- risultati sperimentali di ricerche di SUSY
Prerequisiti e modalità di esame
Meccanica quantistica, relativita` ristretta, formalismo lagrangiano, interazioni elettromagnetiche e deboli, sezioni d'urto e larghezze di decadimento, costituenti fondamentali della materia
(si consiglia vivamente di seguire i corsi "Interazioni elettrodeboli" e "Fisica delle Particelle")


MODALITA' D'ESAME
L'esame consiste in una discussione orale che verte sugli argomenti trattati nel corso.
Metodi didattici
Modalità di frequenza:
Fortemente consigliata;
Modalità di erogazione:
Tradizionale.
Materiale didattico e bibliografia
- Trasparenze del corso: http://www.mi.infn.it/~fanti/Particelle3
- R. Cahn, G. Goldhaber, The Experimental Foundation of Particle Physics, Cambridge University Press (2nd edition)
- F. Halzen, A. D. Martin - Quarks and Leptons - 1984 - J. Wiley
- Griffith - Introduction to Elementary Particles - 2008 - J. Wiley
- G. Cowan - "Statistical data analysis", Oxford Science Publications
- R. Barlow - "Statistics: A Guide to the Use of Statistical Methods in the Physical Sciences", Manchester Physics Series
Lezioni: 48 ore
Docente: Fanti Marcello
Docente/i
Ricevimento:
su appuntamento
Dipartimento di Fisica, Via Celoria 16, 4o piano