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Carlo Rubbia scopre i bosoni intermedi: "Europa 3, USA neanche Z0"

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Carlo Rubbia scopre i bosoni intermedi: "Europa 3, USA neanche Z0"
.
Luciano Maiani:
Lezione Fermi 22
Carlo Rubbia scopre i bosoni intermedi:
"Europa 3, USA neanche Z0"
1. Una nuova generazione di macchine, al CERN e negli USA
2. Macchine a protoni
3. Il collisore SppbarS
4. La scoperta dei jet di adroni
5. 1983: UA1 e UA2 osservano W± e Z0 al p-pbar collider
6. Cosa abbiamo imparato da SppbarS
Roma 13 marzo, 2014
Luciano MAIANI. FermiLectures 22
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1. Una nuova generazione di macchine,
al CERN e negli USA
CERN, inizio anni ’70. (Caccia al Bosone di
Higgs, L. Maiani, R.Bassoli, Mondadori)
Era finito lo slancio derivato dalla costruzione
della prima macchina, il Proto-Sincrotrone. Era
stato anche approvato lo ISR (Intersecting
Storage Rings, con il suo raffreddamento
stocastico e il record di luminositá battuto solo
30 anni dopo) che stava iniziando a funzionare.
A quel punto si poneva il problema di una
macchina piú grande, il gran salto verso gli
acceleratori giganti, a elettroni o protoni.
Ma era evidente un problema: il terreno a disposizione del CERN, nel sito di
Meyrin, non sarebbe stato in grado di ospitare una grande macchina.
Ed ecco che le spinte centrifughe si ripresentarono. I fisici di diversi paesi
pensarono: bene, finora abbiamo concentrato le macchina di avanguardia a
Ginevra, ora puntiamo ad avere noi la grande macchina. Europea sí, ma a casa
nostra. Pochi si sottraevano a questa tentazione.
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Macchine Underground
... Il gruppo di Pisa era il piú agguerrito e si guardava attorno per trovare un sito dove
mettere la nuova macchina. Due luoghi sembravano i piú adatti: nella pianura del
Carso, vicino a Trieste, o nel tavoliere delle Puglie.
Nella difficile discussione riguardo al Paese su cui far convergere gli sforzi europei, il
Direttore del CERN, Sir John Bertram Adams, caló sul tavolo la carta decisiva: la
pianura, o meglio il sottosuolo della pianura, di Gex.
La pianura di Gex é basata su un grande blocco di ’molasse’, una roccia sedimentaria
derivata dalla rottura e dalla risedimentazione di rocce piú antiche. La molasse é
relativamente facile da scavare ma é stabile. Dunque, un ospite ideale per un grande
tunnel sotterraneo.
La costruzione Super Proton Synchrotron (SPS), con energia del fascio pari a 300 GeV,
fu approvata nel 1972. Pochi mesi dopo inizio’ lo scavo del tunnel, per terminare nel 1974
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Il laboratorio Fermi negli USA
• 1968. Nasce il National Accelerator Lab, successivamente battezzato
Enrico Fermi Lab
• Missione del NAL era di realizzare un’acceleratore di protoni di 200
GeV, da estendere successivamente a 500 GeV. Il primo traguardo fu
raggiunto a tempo di record, nel 1972.
• In prigramma un fascio di neutrini di alta energia: correnti neutre e
struttura dei nucleoni
• la sezione d’urto inelastica dei neutrini cresce proporzionalmente a Eν,
come una sezione d’urto puntiforme: partoni carichi =quark!
• 1976. La macchina di FermiLab raggiunge 500 GeV
• USA guidano la corsa, il CERN insegue...
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2. Macchine a protoni
La differenza, tra i fasci di elettroni e quelli di protoni nelle macchine circolari, è un pó
come la differenza tra un mondo con inflazione e un mondo senza.
Quando c’è inflazione, se fate degli sbagli finanziari, ad esempio si alzano troppo i
salari o si mandano troppo presto le persone in pensione, la svalutazione della moneta
attenua, automaticamente e in tempi brevi, gli effetti negativi. L’economia si riassesta
da se. Al contrario, nel mondo senza inflazione, l’effetto di un aumento ingiustificato dei
costi permane nel tempo e richiede correzioni difficili e penose.
(da Caccia al Bosone di Higgs) 5
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Macchine a protoni
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1977. Rubbia e Van der Meer lanciano il
“raffreddamento stocastico” degli antiprotoni
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from: The Large Hadron Collider, by Lyn Evans
Lyn Evans: The Large Hadron Collider
.... In the SPS, beam conditions were even more difficult than in the ISR. The beams
were bunched, with stringent conditions on the level of RF noise required for a good
beam lifetime.
...In fact, our colleagues at SLAC tried to cheer us up by performing an experiment
at SPEAR where they reduced the energy and therefore the amount of synchrotron
radiation damping and measured the maximum achievable tune shift.
Their conclusion was that when they extrapolated to zero damping, the ppbar
collider could never work!
But the collider did work.
• L’approvazione del SppbarS collider fu una decisione molto coraggiosa,
anche a fronte dello scetticismo USA;
• sul piano della fisica, molti pensavano: p-p, si vedrà qualcosa di decifrabile ?
• forte partecipazione italiana;
• - G. Salvini guida con entusiasmo il gruppo romano in UA1.
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3. SppbarS collider
C. Rubbia, Nobel Lecture
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Il rivelatore UA1
il piu’ grande rivelatore
costruito fino a quel tempo
completamente
“ermetico”(copertura completa
dell’angolo delle collisioni)
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Il secondo rivelatore: UA2
finalizzato alla rivelazione di Z0 → e+ e-
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4. La scoperta dei jet di adroni
• Uno dei primi risultati di UA1 e UA2 e’ stata
l’osservazione dei jet adronici: nella maggior
parte dei casi, dalla collisione protoneantiprotone originano due “getti” (jets) di
particelle adroniche spalla a spalla (back to back),
come se la reazione fosse l’urto elastico di due
particelle puntiformi
• sono i “partoni” di Feynman, previsti dalla QCD
e dalla liberta’ asintotica: il protone e
l’antiprotone possono essere visti come due
nuvole di partoni (quark, antiquark, gluoni) e i jet
nascolo dalla collisione frontale di due partoni.
• e’ un fenomenono mai visto prima con certezza (intravisto a ISR), negli urti
ad energie inferiori
• la prova che “ci sono” i quark e i gluoni
• possiamo descrivere anche l’urto p-pbar con leggi semplici, se conosciamo
la distribuzione dei partoni all’interno del protone (ad es. dalla diffusione
inelastica di fotoni e di neutrini): tutto si tiene!
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Physics at High Energy
Parton composition of High Energy protons
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una frase che ho capito solo 15 anni dopo....
• nel 1966, con Guliano Preparata, andammo a fare un seminario al
Max Planck di Monaco
• nell’uditorio, in prima fila, Werner Heisenberg...
• dopo il seminario, Heisenberg fu tanto gentile da fare due chiacchere
con due giovani sfacciati competamente sconosciuti
• gli chiesi “ pensa che i quark sono reali?”
• mi disse che era scettico perche’se il protone fosse fatto di quark,
nei raggi cosmici “si sarebbero viste diffusioni a grande angolo, che
invece non ci sono”...
• non capii, e mi tenni la frase cosi’ com’era...
• ho capito solo dopo UA1/UA2: ad energie veramente grandi (fuori
dagli effetti di bassa energia) le diffusioni a grande angolo ci sono! e
sono proprio la prova dei quark...come pensava Heisenberg...solo
che raggi cosmici dell’energia corripondente al collider sono cosi’
rari da non essere significativi
• tutto si tiene!
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5. 1983: UA1 e UA2 osservano W± e Z0 al p-pbar collider
Il New York Times titola: Europe 3, US not even Z0
Conferenza stampa al CERN per l’annuncio
della scoperta. Da sinistra: C. Rubbia, S. Van
der Meer, E. Schopper
W→ e (blu verso
il basso) + ν (blu
verso l’alto,
ricostruito dal
bilancio dei
momenti)
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Z→ e e (linee blu)
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1983. UA1 e UA2 osservano W± e Z0 al p-pbar collider del CERN
Il New York Times titola: Europe 3, US not even Z0
Carlo Rubbia. Nobel Lecture, 1984
MW =
✓
⇡↵
p
2G
◆
K
, MZ =
sin ✓W
Figura teorica da: M. Consoli, S. Lo Presti , L. Maiani Nucl.Phys. B223 (1983) 474
i dati suggeriscono una deviazioni misurabile dalle predizioni della Teoria Standard al tree level
B. Beg & A.Sirlin; Z. Hioki considerazioni simili.
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✓
⇡↵
p
2G
◆
K
sin ✓W cos ✓W
sin ✓W = 1
2
K ⇡ 1.036
2
MW
,
MZ2
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LEP - LHC e la fisica elettrodebole di precisione
• con l’osservazione di W e Z e, successivamente, gli esperimenti di LEP (>1989),
si apre la stagione della fisica elettrodebole di precisione
• la determinazione di sin2θW a partire dalla massa del W (più tardi dello Z)
permette una precisione non raggiungibile con le sezioni d’urto dei processi di
corrente neutra (usate negli anni ’70)
• Veltman: le correzioni virtuali dovute al top crescono con Mt2
• diversi gruppi inseguono la determinazione di Mt a partire dai parametri
elettrodeboli, tra questi :
•con LEP inizia la caccia al bosone di Higgs
•1994. Approvata la costruzione di LHC in due stadi •Dic. 2000. Chiusura di LEP2:
•1997.
Inizia la costruzione di LHC (uno
stadio)
le Roy est mort, vive le Roy!
Bari, 9.09.2013
L. MAIANI
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6. Lessons from SppbarS (besides W and Z discovery)
• 1982
SppbarS in operation: jets
1983
Discovery of W&Z
The discovery of jets (i.e. interactions of the constituents) in p-pbar has
played a crucial role because it showed the possibility to study basic
interactions even with hadron beams. No problem to get to high energy,
compared to e+e• QCD evolution shows that there is no much gain in p-pbar vs. p-p collisions
(gluons and sea constituents dominate). No problems with luminosity such
as with pbar.
• By 1984-1985 the idea of a high energy proton collider in the LEP tunnel
had gained momentum
• July 1989 first Z0 at LEP.
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Lessons from SppbarS (cont’d)
•
•
•
W e Z sono state le prime particelle di massa realmente alta, potenzialmente
nei loro decadimenti si sarebbero potute osservare particelle mai viste prima
alcuni eventi osservati da UA1 ci fecero pensare ad un decadimento nei
partner supersimmetrici dell’e elettrone e del neutrino...
ma si rivelarono solo una fluttuazione del fondo.
W e Z: la porta ad un nuovo dominio di energia
La caccia alla Supersimmetria era cominciata
... e continua tutt’ora
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