25 anni verso la nuova fisica Marcello A. Giorgi Università di Pisa & INFN Pisa 19 Settembre, 2013

25 anni verso la nuova fisicaMarcello A. Giorgi

Università di Pisa & INFN Pisa 19 Settembre , 2013

La Prima Volta !

Franco ci ha convocato e tutto e’ nato al castello Aragonese di Otranto con una riunione dei coordinatori dei dottorati in Fisica

La Prima Volta !

L’idea lanciata allora e’ un seminario per dottorandi in fisica di varie provenienze geografiche e culturali.Fino ad allora c’erano state scuole tematiche o settimane di studio itineranti spesso sostenute direttamente dall’INFN come la scuola di fenomenologia oppure le settimane di studio per borsisti INFN( quasi un sostituto dei dottorati).Nesssuna di queste iniziative e’ stata duratura.Personalmente all’inizio ero perplesso sul futuro della iniziativa salentina. Mi legava pero’ a Franco amicizia e stima reciproca lavoravamo insieme in ALEPH e questo era sufficiente. Franco con il gruppo barese era impegnato nel calorimetro adronico e nel riconoscimento dei muoni insieme a Gabriella Catanesi, Mauro De Palma, Giorgio Maggi, Sergio Natali, Salvatore Nuzzo, Antonio Ranieri, Federico Ruggieri, Pino Zito.Io impegnato nel rivelatore di vertice insieme a Giovanni Batignani, Luciano Bosisio, Massimo Carpinelli, Ettore Focardi, Francesco Forti, Giuliana Rizzo, Guido Tonelli , Giuseppe Triggiani.

La Prima Volta !

Era anche la prima volta che venivo nel Salento . E poi ho scoperto tante cose incluso la purea di fave e non solo…

La Prima Volta !

Era anche la prima volta che venivo nel Salento . E poi ho scoperto tante cose incluso la purea di fave e non solo…

..anche l’albero della vita e poi…

La Serra degli Alimini

e l’idea di tenere gli studenti tutti insieme per tutto il tempo in una full immersion anche…

…in mare

mi era parsa eccellente e simile all’idea che aveva convinto noi pisani a..

scegliere La Biodola all’isola d’Elba per la nostra serie di conferenze e per

workshops dedicati

Ma come verso la nuova fisica ?Il mio modesto contributo poche slides dalle mie ultime tre partecipazioni 2001 2006, 2011.

Le mie partecipazioni

Gli argomenti dei seminari erano basati sulle esperienze dirette di lavoro dgli speakers. Nel mio caso: •fisica di precisione, •esperimenti e+ e-,•test di SM,•esplorazione BSM.

Dopo Aleph la violazione di CP nei B, la verifica del paradigma CKM.,sfida allo SM con misure su canali rariMixing D0 e limiti a LFV nel decadimento dei tauNuove idee per il futuro.Le mie lezioni sono state comunque lezioni di fisica delle particelle .

E cosi’….

OUTLINE (2001)

• Simmetrie discrete

• Mixing• K neutri• B• sin2b

Otranto Settembre 2001 Marcello A. Giorgi 11

Cenni di simmetrie discrete• P,T,C• P parity

tt rr

LL

P ha autovalori +1 e -1,è Unitario ed Hermitiano

pp

P - P 2 , P2=1r

r

r

r

ihdij ihdij

],[],[ jiji pqpq


Decadimenti di KL e KS

KS : Br in pp è >99.99%

KL : Br in 3p è 33.68%,BR in plnl è 65.95%Il decadimento del Ksin pp sembrava indicare che esso è autostato puro di CP

essendolo lo stato finale .Analogamente il decadimento in 3 p del KL sembrava indicare che esso è

autostato puro di CP all’autovalore opposto.

Il modo più semplice di scrivere i 2 autostati di CP è pertanto il seguente:

e2

|||

00s

KKK 2

|||

00L

KKK


Mixing del flavourDalla meccanica classica viene l’esempio più semplice di oscillazione di un

sistema con 2 modi.Esercizio:

k

ll

m m

2 pendoli di massa m e lunghezza l sono accoppiati da una molla di costante elastica k e lunghezza di riposo x.

x

Si studino i 2 modi e la frequenza di mixing


Esistono autostati della matrice di massa?

2

iMH

00 ||||| xbxaxxxH iiiiii con ? cioè

Autostati di

Sì! Con [ ] e se chiamo2112222

2112111

HHH

HHH

21

12

Hq

Hp

QUINDI e q

p

b

a

q

p

b

a

2

2

1

1

00222,1 ||||||

1| xqxp

qpx

Serra degli Alimini, 21-27 Settembre 2006

Marcello A. Giorgi 15

MIXING &REGENERATION

Pais&Piccioni 1956

Strong interaction is strangeness conserving

And Hyperon production xsections are i.e.:

xpKxpK 00 __

M.S.Sozzi Varenna05



A new regeneration mechanism in 1963??M.S.Sozzi Varenna05


Se vale CP p=q

0000 ||2

1|||

2

1| xxxxxx

SK| LK|

Sono autostati di CP ed inoltre

pqiMim

pqiMim

22

22

2222

222

1111

111

pqMm

pqMm

Re

Re

222

111

pq

pq

Im2

Im2

222

111


Sistema dei K neutri

Nel caso dei gli stati in oggetto sono

La violazione è legata a

Definiamo

00 , KK LS KK ,

MeVmS1210018.0510.3 e

qp

K

KK p

q

qp

qp

1

1 e



Outline of lectures (2006)

Discrete symmetries Need for CPV CPV in K sector• CKM model• Discovery of CPV in B sector• BaBar achievements• Not only CP• Towards the Future

Historical touch and motivation



A new proposal at BNL!!



The glorious experiment

40 DAYS FOR CP VIOLATION

LOI J.Cronin,V.Fitch,R.Turlay april ’63

Approval at Brookhaven may ’63

Detector ready june ’63

40 days of rnns starts end July ‘63



Experimental apparatus what new?

SPARK CHAMBERS ! What are They?





It is CPV• Reject other possibilities:• Anomalous regeneration• Failure of Quantum Mechanics• p misidentifcation• 3-body something missing

BUT

Invariant mass of Kaon

p evidence

Independent of production

..e nel settore dei B???

..e nei B?



3 ways to CP violation

1ff AA

CPV in decay: 1

122

/, ff

ffffCP AAAA

fifi fifi

CPV in mixing:1pq

4

4

00

00

1

1

pq

pq

XlPdtdXlPdtd

XlPdtdXlPdtdt

physphys

physphysSL

CPV in the interference decay-mixing:

f

ff

f

A

A

p

q

0m

CPphysCPphys

CPphysCPphysf fPdtdfPdtd

fPdtdfPdtdt

CP

00

00

For example: decays to CP eigenstates CPf

fifi

fifif/f,CP



Observables: “direct” CP asymmetry

i f i fCP

A1 = |A1|

A2 = |A2| ei ei

A1 = |A1|

A2 = |A2| ei ei

(CP-conserving) (CP-violating)

A = A1+ A2

Time-integrated “direct” CP asymmetry requires two amplitudes and :

sinδsinΦfifi

fififfCP

/,

A = A1+ A2 A

+ -

ACP



Observables time-dependent CP asymmetry

CPphysCPphys ftBftB 00

CPpq

B0 fCP

Af

AfB0

B0 fCP

B0

Af

Afqp

Interference between mixing and decay to a CP eigenstate.Flavor-tagged time-dependent decay rates are different! they are governed by the “CP parameter”:

CP eigenvalue

Amplituderatio

ei2

from mixing

CP

CP

CPCP

f

fff A

A

p

q

2

2

1 | |

1 | |CP

CP

CP

ff

f

C

2

2Im

1 | |CP

CP

CP

ff

f

S

0

I mCPf

For singledecay

amplitude

( ) cos( ) sin( )CP CP CPf f d f dA t C m t S m t

Asymmetry



CP in Standard Model

CKM quark mixing matrix

2

2 4

3

23

2

( )

(

11

21

1 ( )2

11 )

ud us ub

cd cs cb

td ts tb

A iV V V

V V V V A O

V V VAA i

bulB() l

CP Violating phase

BD(*)lbcl

B() B0 Mixing

Unitarity CKM



O(l2)

Representing unitarity relations as Unitarity Triangles

The unitarity condition of CKM matrix VV+=V+V=1 gives 6 relations between the matrix elements as :

VudV*ub + VcdV*cb + VtdV*tb =0

(in this relation the 3 terms have the

same order of magnitude ~O(l3) and it can be graphically represented in a complex plane as a triangle with sides of comparable length. Other relations have terms of different order of magnitudes. E.g.:

VusV*ub + VcsV*cb + VtsV*tb =0

O(l4) O(l2)

Overconstrain , ,a b g and the 4 parameters of CKM ,r h, A,l


Experimental ingredients for time dependent CP asymmetries measurement of beta, alpha and gamma

+e-e

z

Brec

Btag 4s

bg(4S) = 0.55

Coherent BB pair

B0

B0

m-

K-

c

zt

1

Tag vertex reconstructio

n

Tag vertex reconstructio

n

FlavorTaggingFlavor

Tagging

Exclusive B Meson and Vertex Reconstruction

Exclusive B Meson and Vertex Reconstruction

Start the Clock

Dz

m-

m+0sK

p-p+

J/Y

( ) cos( ) sin( )CP CP CPf f d f dA t C m t S m tAsymmetry


INGREDIENTI PER CP with time Dependent analysis

Misura dei tempi di decadimento. Cioe’ misura precisa dei vertici di decadimento


Digression:Use of precise Silicon detectors in Flavour experiments.


Marcello A. Giorgi 34Serra degli Alimini, 25-26 Settembre 2011


Schema di rivelatore al Silicio

+ -+

++

-

--

-V

0

m300

2SiO

AContatto

AContatto

2SiO

cmk

typen

5

p

n



Primi rivelatori a stripL’uso dei primi rivelatori a silicio e’ stato il trigger per lo sviluppo

di rivelatori a strip









…..

..

…..

(M.A.G/. Proc. Miniaturization of High Energy Physics Detectors 1980-. Plenum Press)



Primi rivelatori a stripL’uso dei primi rivelatori a silicio e’ stato il trigger per lo sviluppo di rivelatori a

strip. Primo rivelatore a strip a barriera di superficie con divisione di carica.

…..

..

…..

(M.A.G/. Proc. Miniaturization of High Energy Physics Detectors 1980-. Plenum Press)

First Pisa meeeting on advanced Detectors (Elba series)



Schema rivelatore a strip



Dal telescopio NA1 alla strip target

Silicon telescope 300mm pitch

E



Dal telescopio alla strip target


E

Ma perche’ non eliminare gli spazi inutili?





E






E

E






E

EBUT….

C’e’ bisogno di un materiale a piu alta densita’ Ge






E

EBUT….

C’e’ bisogno di un materiale a piu alta densita’ GeMonolithic Ge Detector strip 25 mm

(50 mm pitch)




(1982) NA1 una migliore misura della vita media del charm



In vista di LEP

Rivelatori a doppia faccia !!SLD -SLAC



ALEPH



ALPEH – VDET (the upgrade)

– 2 silicon layers, 40cm long, inner radius 6.3cm, outer radius 11cm– 300mm Silicon wafers giving thickness of only 0.015X0– S/N rF = 28:1; z = 17:1– srf = 12mm; sz = 14mm



Ma anche al Tevatron CDF


1986-2000

ALEPHVDETII

OPALμVTX3

DELPHISi Tracker

L3SMD

LEP: Aleph started the game first, immediately followed by the others

K.Österberg, Performance of the vertex detectors at LEP2, NIM A435 (1999)


Rivelatori a doppia faccia• Si raccolgono sia buche che elettroni • Minor materiale a parita’ di informazioni• Maggiore complessita’ tecnica• Maggior costo

• Non basta suddividere l’elettrodo sul lato posteriore a causa dell’accumulo di carica superficiale

p-stops

+++++++++- - - - - - - - - -- - n+n+

• Soluzione sviluppata a Pisa (’86):strip p+ per interrompere lo strato di accumulazione di e- che cortocircuiterebbe tutte le strip n+


the BaBar Silicon Vertex Tracker

Trackers for the B-factories:


PEP-II & BaBar

• Lmax = 1.12 X 1033 cm–2s–1

• Ldt = 371 fb–1@{Υ(4S)+off(~10%)}

• (>3.7x108 B events)

Charged tracking/vertexing• 5-layer DSSD Si µstrip• 40 layers (He-isobutane)Hadron identification• tracker: dE/dx• DIRC imaging Cerenkov Electron/photon• CsI calorimeterMuon/KL• Instrumented flux return

11 Countries, 80 Institutions, 623 Physicists



e+ source

Ares RF cavity

Belle detectorSCC RF(HER)

ARES(LER)

KEKB & Belle 8 x 3.5 GeV 22 mrad crossing angle

since 1999

13 countries, 57 institutes, ~400 collaborators

8GeV (e-) 3.5GeV (e+) peak luminosity: 1.651034cm-2s-1


http://jp.f35.mail.yahoo.co.jp/ym/ShowLetter/ringanimation2M.gif?box=Inbox&MsgId=2406_9445966_98224_1696_384623_0_1738_499387_3403004772&bodyPart=1.4&filename=ringanimation2M.gif&tnef=&YY=43275&order=down&sort=date&pos=0&view=a&head=b




M.A.Giorgi 57

Triumph of CKM from LHCb data

T.Gershon @LP11

Good agreement no evident discrepancyor “tension” , even with different statistical analysis

Summer 2011

Serra degli Alimini 26/9/2011

Precision investigation of Higgs boson

e+ e- Higgs Factory? Hopefully.

Precision measurements in accelerator and non accelerator experiments:

CPV in b and c

LFV in m and t

Dark Matter search

Dark Energy search

Still flavor experiments at high luminosity

Triumph of SM . How BSM?

How BSM?

Need for high luminosity experimentsNeed for precise detectors ( precision trackers, efficient PID) more precise than the present detectors as silicon.

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