Masterclass CMS - misure WZH
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Studierete eventi di varie tipologie al fine di:
  • determinare i migliori candidati di W, Z, bosone di Higgs, ecc.,
  • distinguere i candidati W+ da quelli W- ,
  • distinguere i decadimenti in elettroni dai decadamenti in muoni,
  • determinare i rapporti rilevanti,
  • e realizzare distribuzioni di massa degli eventi a 2 e 4 leptoni.


Introduzione

I bosoni W e Z possono decadere producendo due particelle chiamate leptoni. Rientrano tra questi gli elettroni (e), i muoni (μ), i neutrini (ν) e le loro rispettive antiparticelle.

Dato che il bosone Z ha carica elettrica nulla, esso decade in coppie di leptoni di carica opposta (per esempio e+e- oppure μ+μ-). I bosoni W, che hanno carica elettrica pari a +1 o -1, possono decadere in un elettrone e un neutrino o in un muone e un neutrino (il neutrino, come suggerito dal suo nome, ha carica elettrica nulla). Questa storia è molto più lunga ... ma per il momento ci fermiamo qui!

Un bosone di Higgs può decadere in molteplici modi. Con ogni probabilit&aagrave;, quello che voi vedrete è il decadimento del bosone di Higgs in due bosoni Z.


Eventi di leptone singolo (una traccia di leptone con momento mancante)

Un W+ (o W-) prodotto in una collisione protone-protone dentro CMS decade molto rapidamente. I due leptoni (elettrone o muone più neutrino) prodotti nel decadimento all'interno del tubo di fascio attraversano il rivelatore CMS. I leptoni carichi (elettroni o muoni) vengono osservati dal rivelatore interno come tracce. Il forte campo magnetico di CMS fa ruotare le particelle: quelle di carica positiva in senso orario, quelle di carica negativa in senso antiorario (se osservate nella proiezione del moto sul piano x-y). I neutrini non rilasciano alcun segnale: la traccia viola indica la quantità di moto (impulso) mancante attribuita al moto del neutrino.

Selezionando l'immagine qui a sinistra, otterrai una visuale ingrandita. Riesci a localizzare il vettore corrispondente all' "impulso mancante" in ciascun evento? Controlla con cura la curvatura dell' "altra" traccia. Quale dei due ti sembra il decadimento di un W+ e quale di un W- ? La traccia corta verde nell'evento A rappresenta un elettrone. La traccia rossa, più lunga, che penetra fino ai blocchi rossi nell'evento B, indica un muone.

Eventi a due leptoni (due tracce di leptoni dello stesso tipo)

Anche uno Z prodotto in CMS decade immediatamente. In questo caso i due leptoni possono essere una coppia muone-antimuone (μ-μ+) o una coppia elettrone-positrone (e-e+). Poiché non vengono prodotti neutrini, non ci aspettiamo un impulso mancante. In realtà la situazione è piuttosto complicata e qualche particella può passare inosservata nelle zone insensibili del rivelatore, quindi è possibile che ci sia dell'impulso mancante anche in questo caso.

Selezionando l'immagine qui a sinistra, otterrai una visuale ingrandita. Quali di queste immaginiè prodotta, verosimilmente, da uno Z che decade in muoni e in elettroni? Quale potrebbe rappresentare invece il decadimento di un W? Come si potrebbe distinguere un candidato W da un candidato Z accompagnato da un po' di energia mancante?

Eventi a quattro leptoni (due eventi a 2 leptoni dallo stesso vertice)

Esistono molteplici modi di ottenere un evento a 4 leptoni. In particolare, noi siamo interessati a due casi:

  • Un bosone di Higgs che decade in due bosoni Z. Le particelle Z a loro volta decadono in leptoni, come sopra, cosí da produrre in totale quattro tracce di leptoni: due coppie di muone (2 x μ-μ+), due coppie di elettroni (2 x e-e+), oppure una coppia di muoni e una coppia di elettroni (μ-μ+e-e+).
  • Altre combinazioni di particelle che potremmo scoprire dai dati.

Selezionando l'immagine qui a sinistra, otterrai una visuale ingrandita. Entrambi questi eventi sono candidati Higgs. Una immagine mostra due fotoni (due torri verdi di energia prodotte da ECal in corrispondenza delle quali non si osservano tracce). L'altra mostra un possibile decadimento in due bosoni Z (in questo caso ogni Z decade immediatamente in due elettroni). Quale coppia pensi sia di una Z e quale dell'altra?


Alcuni elementi della rappresentazione grafica on line degli eventi


In ciascun evento, i fasci sono diretti lungo l'asse comune ai cilindri che rappresentano l'ECAL e l'HCAL. Qual è il miglior candidato W o Z? Sai identificare il luogo dove avvengono le collisioni e i decadimenti delle particelle?


Prima di iniziare
Se non si ha familiarità con CIMA e iSpy:


Analisi degli eventi

Dovrai svolgere la seguente attività con: Tu e il tuo compagno dovrete esaminare il display dell'evento, interpretarlo, e usare CIMA per registrare le vostre osservazioni. CIMA vi aiuterà a calcolare i rapporti rilevanti e realizzare gli istogrammi delle masse dei candidati di particelle. Il docente aiuterÓ l'intero Gruppo nella comprensione dei risultati prima che vengano inviati ai moderatori della videoconferenza.

Tu e il tuo compagno dovrete esaminare 100 eventi. Quando osservate un evento, domandatevi:
  • Ci sono tracce di leptoni visibili, siano muoni o elettroni?
  • Si tratta di un evento a 1, 2 o 4 leptoni? O qualcos'altro? È un evento "zoo"?
  • Se è un evento di leptone singolo, si tratta di un candidato W+ o W-?
  • Se è un evento a 2 leptoni, riuscite a identificare le due tracce di leptone e usarle per determinare la massa invariante della particella decaduta?
  • Se è più probabilmente un evento a 4 leptoni, riuscite ad identificare le quattro tracce di leptone e usarle per determinare la massa invariante di una possibile particella decaduta?
Potrete registrare tutte le vostre conclusioni negli appositi spazi del foglio elettronico.


Risultati

Il docente vi aiuterà a combinare i risultati di tutti gli studenti per ottenere, complessivamente per l'intera Masterclass di Istituto, i seguenti valori:
  • il rapporto W/Z (non semplice come possa sembrare).
  • il rapporto W+/W-.
  • il rapporto e/μ.
  • la massa della Z e di altre particelle con decadimenti simili, dalla combinazione statistica nel grafico di massa degli eventi a 2 leptoni.
  • le masse delle particelle generatrici degli eventi a 4 leptoni, e le possibili identità di tali particelle.
Durante la videoconferenza questi vostri risultati verranno combinati con quelli degli altri Istituti, che partecipano alla Masterclass. In particolare:
  • Ogni Istituto sottoporrà i propri risultati a discussione.
  • I moderatori combineranno i dati di tutti gli istituti e vi mostreranno l'istogramma di massa della combinazione.
  • Uno dei moderatori presenterà un altro grafico prodotto in una Masterclass CMS e ne spiegherà il significato.
  • Ci sarà uno spazio dedicato a domande e risposte, in cui potrai fare le domande più varie (dalla fisica di LHC al modo in cui i fisici impegnano il loro tempo libero).