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Relazione Scientifica - Antonio Masiero - Univ. Padova/INFN
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RELAZIONE SCIENTIFICA
Antonio Masiero Univ. di Padova e INFN
Piano Triennale INFN 2013-‐2015 Torino 18 – 19 giugno 2012
HIGGS MECHANISM
HIGGS MECHANISM?
SIMMETRIE (principio geometrico)
INTERAZIONI FONDAMENTALI
LHC à COME IL MECCANISMO DI HIGGS E’ REALIZZATO
LEP à HIGGS MECHANISM
(ROTTURA SPONTANEA DI UNA SIMMETRIA LOCALE o di GAUGE)
EWSB: WITH OR WITHOUT A HIGGS BOSON
R. CONTINO PLANCK2012
CAN LHC TELL US WHAT NATURE HAS CHOSEN TO BREAK THE ELW SYMMETRY?
a light higgs (or something mimicking it) is definitely favored
the big desert between the TeV and the GUT scales only if the higgs is a narrow band between 130 and 180
Ellis, Espinosa, Giudice, Hoecker, Riotto
MASSA DEL TOP E DELL’HIGGS E LA STABILITA’ DEL VUOTO DEL NOSTRO UNIVERSO
DEGRASSI, DI VITA, ELIAS-‐MIRO’, ESPINOSA, GIUDICE, ISIDORI, STRUMIA 2012
Abbiamo gia’ conosciuto “VIRTUALMENTE” il bosone di Higgs (o qualcosa di simile a lui)…
From M. Kirby Fermilab users meeting – June 12-13, 2012 Higgs limits: Tevatron combined
New combination PLHC June 4-9, 2012 - Vancouver Higgs limits: CMS 2011 data
New combination PLHC June 4-9, 2012 - Vancouver Higgs limits: ATLAS 2011 data
VITA SPERICOLATA E “PROBABILE” DEL NOSTRO UNIVERSO METASTABILE?
DEGRASSI, DI VITA, ELIAS-‐MIRO’, ESPINOSA, GIUDICE, ISIDORI, STRUMIA 2012 PRIMA COMPLETA ANALISI NNLO DEL POTENZIALE DI HIGGS DEL SM
AZATOV, CONTINO, GALLOWAY 2012
ConSno, Ghezzi, M. MoreV, Panico, Piccinini, Wulzer 2012
Best fit diverso da a=c=1 del DM per dar conto dell’eccesso di fotoni nel canale H àγγ
L’IMPORTANZA DI AVERE UNA MISURA PRECISA DELLE MASSE DI TOP E HIGGS E…
ACQUISTA INTERESSE UN LINEAR COLLIDER TOP-‐ E HIGGS-‐ FACTORY!
DEGRASSI ET AL
DEGLI ACCOPPIAMENTI SIA DI GAUGE CHE DI YUKAWA DELL’HIGGS PER SAPERE SE E’ SM HIGGS
SUSY limits PLHC June 4-9, 2012 – Vancouver CMS 2011 data
VITA DURA PER SUSY (ma ricordiamoci che SUSY e’ un framework in cui stanno molti modelli diversi…)
SUSY limits CIPAMP May 29-June 2, 2012 - Florida ATLAS 2011 data
LHCb e la CPV nei decadimenti dei mesoni Bs
2011
2012 ATLAS, CMS and LHCb results combined: BPH-12-009, ATLAS-CONF-2012-061, LHCb‐CONF-2012-017
David Straub: arXiv:1205.6094
CPV DIRETTA IN D0 → π+π–, K+K-
2011: LHCb, 620 pb-1prima evidenza (3.5 σ) di CPV nel charm
2012: CDF, 9.6 fb-1, conferma questo risultato (- 0.62 ± 0.21 ± 0.10) %
COMBINANDO I RISULTATI DI LHCb e CDF à
DEVIAZIONE A 3.8 σ DA ZERO Questo risultato richiede un innalzamento delle ampiezze CKM soppresse del SM di circa un fa\ore 5-‐10 Isidori, Kamenik, LigeS, Perez 2011 Ma il quark charm e’ TROPPO PESANTE per applicare la teoria perturbaSva chirale e al tempo stesso e’ TROPPO LEGGERO per fidarsi della teoria efficace di quark pesant:
pertanto NON si puo’ escludere che l’SM si salvi ancora una volta! Golden, Grinstein 1989; Brod, Kagan, Zupan 2011 Ma resta possibile che invece ci sia INTERESSANTE NUOVA FISICA… Giudice, Isidori, Paradisi 2012; Barbieri, Bufazzo, Sala e Straub 2012 Possibili sorprese dalle FCNC del K à NA62 !
• The BABAR collaboraSon reported on new measurements of decays of B mesons into final states containing tau lepton, τ. The decay branching fracSons are higher than predicted by the Standard Model with a 3.4σ level of significance.
• • BABAR measures the raSos of branching fracSons R(D) = Br(B→Dτντ)/B(B→Dlνl) and R(D*) = B(B→D*τντ)/B(B→D*lνl) R(D)=0.440±0.058±0.042 and R(D*) = 0.332±0.024±0.018, which exceed the Standard Model expectaSons by 2.0 and 2.7 standard deviaSons, respecSvely. Taken together, and assuming the Standard Model, the probability of obtaining these results or results further from the Standard Model is 0.069%, which for a one-‐dimensional Gaussian-‐distributed observable is equivalent to a significance of 3.4 standard deviaSons.
BABAR DATA in TENSION WITH THE SM Oggi comunicato stampa da SLAC
MEG expt @ PSI
Liq Xe calorimeter DE/E =4% at 50 MeV
New upper limit: B (µ→eγ) < 2.4×10-‐12 (90%C.L.)
3 107 µ/s
Will conSnue run and upgrade detector towards 10-‐14 sensiSvity
Also: mu2e at FNAL, COMET at KEK, mu3e LOI at PSI…
Upgrade?
IFAE 2012
PMNS CASE
CKM CASE
Calibbi, Hodgkinson, Jones, A.M. and Vives 2010
IMPRESSIVE MEG CONSTRAINTS ON SUSY SEE-‐SAW
IFAE 2012
M. PASSERA 2012
M. PASSERA 2012
LEP,…:HIGGS MECHANISM
HIGGS MECHANISM?
Temperatura ~ 170 MeV (~ 1012 K) : quanto è caldo? 100,000 volte la temperatura al centro del Sole!
~ 103 K ~ 107 K ~ 108 K
~ 1011 K ~ 1012 K !
" E’ lo stato più estremo della materia adronica finora craeto in laboratorio
" Osservato comportamento collettivo nelle collisioni Pb-‐Pb a LHC (+0.3 v2RHIC)
v2(pT) simile RHIC – fluido ideale a LHC ?
" Fondamentale per definire l’equazione di stato e le proprietà di trasporto
" Il lavoro è risultato fra i migliori pubblicati da PRL nel 2011
29
xy z
EllipSc flow
TAIUTI 2012
30
RAA = #(part. in AA collision per N-‐N (binary) collision)
#(parlcles observed per p-‐p collision) TAIUTI 2012
" Effetti nucleari nella produzione di mesoni charmati
Soppressione per charm di un fattore 3-‐4 sopra 5 GeV/c
Forte perdita di energia per i quark c nel mezzo quark-‐gluoni models
MICRO MACRO PARTICLE PHYSICS COSMOLOGY
GWS STANDARD MODEL HOT BIG BANG STANDARD MODEL
HAPPY MARRIAGE Ex: NUCLEOSYNTHESIS
BUT ALSO POINTS OF FRICTION
- COSMIC MATTER-ANTIMATTER ASYMMETRY - INFLATION - DARK MATTER + DARK ENERGY
“OBSERVATIONAL” EVIDENCE FOR NEW PHYSICS BEYOND THE (PARTICLE PHYSICS) STANDARD MODEL
NUCLEAR ASTROPHYSICS
NEW SOURCE OF CP VIOLATION
NEW SCALAR POTENTIAL
NEW PARTICLES AND INTERACTIONS
32
E*
ε
NORMAL minimum
SUPER deformed minimum
FEEDING of SD bands
DECAY-OUT of SD bands:Coupling betweenordered and chaotic states
5-‐10 MeV/u 50 MeV/u Ioni pesanti
Decadimenti (in volo)
Struttura a shell Modi collettivi-‐forma vs N/Z Simmetrie
Reazioni Periferiche
Struttura Nucleare
Termodinamica Viscosità-‐alto spin
Equazione di stato
Multi-‐ framm
GAMMA-‐ PRISMA-‐ EXOTIC-‐ NUCLEX
MAGNEX-‐ LNS_STREAM -‐ FRIBS -‐ EXOCHIM
TAIUTI , LNL 2012
" Processi di cattura p,α " ASFIN @LNS
ú 13C(α,n)16O (produzione di neutroni nelle giganti rosse)
ú O (isotopi)+p (nucleosintesi in combustione H calda)
ú 19F(p,α)16O alle energie stellari " LUNA @LNGS
ú 14N(p,γ)15O: i nuovi risultati cambiano il modello della struttura delle giganti rosse;
ú 25Mg(p,γ)26Al: meccanismo di produzione del 26Al (è una delle sorgenti γ della Galassia)
" ERNA: ú Completato il ri-‐commissioning a Caserta; iniziata la misura F+p e 7Be+p; ú Nuova stima di 7Be+e-‐ (neutrini solari, evoluzione del Li nell’Universo)
TAIUTI , LNL 2012
TAIUTI LNL 2012
The Energy Scale from the “Observational” New Physics
neutrino masses dark matter baryogenesis inflation
NO NEED FOR THE NP SCALE TO BE CLOSE TO THE ELW. SCALE
The Energy Scale from the “Theoretical” New Physics
Stabilization of the electroweak symmetry breaking at MW calls for an ULTRAVIOLET COMPLETION of the SM already at the TeV scale + CORRECT GRAND UNIFICATION “CALLS” FOR NEW PARTICLES AT THE ELW. SCALE
DM: the most impressive evidence at the “quantitative” and “qualitative” levels of
New Physics beyond SM • QUANTITATIVE: Taking into account the latest WMAP
data which in combination with LSS data provide stringent bounds on ΩDM and ΩB EVIDENCE FOR NON-BARYONIC DM AT MORE THAN 10 STANDARD DEVIATIONS!! THE SM DOES NOT PROVIDE ANY CANDIDATE FOR SUCH NON-BARYONIC DM
• QUALITATIVE: it is NOT enough to provide a mass to
neutrinos to obtain a valid DM candidate; LSS formation requires DM to be COLD NEW PARTICLES NOT INCLUDED IN THE SPECTRUM OF THE FUNDAMENTAL BUILDING BLOCKS OF THE SM !
DM à NEW PHYSICS BEYOND THE ( PARTICLE PHYSICS ) SM - if Newton is right
at scales>size of the Solar System
• ΩDM = 0.233 ± 0.013 * • Ωbaryons = 0.0462 ± 0.0015 ** *from CMB ( 5 yrs. of WMAP) + Type I
Supernovae + Baryon Acoustic Oscillations (BAO)
**CMB + TypeI SN + BAO in agreement with Nucleosynthesis (BBN)
COULD (AT LEAST SOME OF) THE “OBSERVATIONAL” NEW PHYSICS BE
LINKED TO THE ULTRAVIOLET COMPLETION OF THE SM AT THE ELW.
SCALE ?
TEN COMMANDMENTS TO BE A “GOOD” DM CANDIDATE
• TO MATCH THE APPROPRIATE RELIC DENSITY
• TO BE COLD
• TO BE NEUTRAL
• TO BE CONSISTENT WITH BBN
• TO LEAVE STELLAR EVOLUTION UNCHANGED
• TO BE COMPATIBLE WITH CONSTRAINTS ON SELF – INTERACTIONS
• TO BE CONSISTENT WITH DIRECT DM SEARCHES
• TO BE COMPATIBLE WITH GAMMA – RAY CONSTRAINTS
• TO BE COMPATIBLE WITH OTHER ASTROPHYSICAL BOUNDS
• “TO BE PROBED EXPERIMENTALLY”
BERTONE, A.M., TAOSO
THE DM ROAD TO NEW PHYSICS BEYOND THE SM: IS DM A PARTICLE OF THE NEW PHYSICS AT THE ELECTROWEAK
ENERGY SCALE ?
CONNECTION DM – ELW. SCALE THE WIMP MIRACLE :STABLE ELW. SCALE WIMPs
1) ENLARGEMENT OF THE SM
SUSY EXTRA DIM. LITTLE HIGGS. (xµ, θ) (xµ, ji) SM part + new part
Anticomm. New bosonic to cancel Λ2 Coord. Coord. at 1-Loop
2) SELECTION RULE DISCRETE SYMM.
STABLE NEW PART.
R-PARITY LSP KK-PARITY LKP T-PARITY LTP
Neutralino spin 1/2 spin1 spin0
3) FIND REGION (S) PARAM. SPACE WHERE THE “L” NEW PART. IS NEUTRAL + ΩL h2 OK
* But abandoning gaugino-masss unif. Possible to have mLSP down to 7 GeV
mLSP
~100 - 200 GeV *
mLKP
~600 - 800
GeV
mLTP
~400 - 800
GeV
Bottino, Donato, Fornengo, Scopel
BAUDIS NEUTRINO12
Direct searches: results § Status of the search § Most compeSSve limits (@ 50-‐100 GeV):
⇒ Xe: XENON100 (7x10-‐9 pb) and Zeplin (4x10-‐8 pb) ⇒ Ge: bolometers: CDMS and EDELWEISS (3x10-‐8 pb)
SensiSvity at 5x10-‐9 pb (@ 100 GeV) will be reached soon (by XENON 100)
§ Hints for signals at low WIMP masses (< 10 GeV): DAMA modulaSon signal, CoGeNT, CRESST: SituaSon not clear at the moment.
Future: XENON 1 ton -‐ 5x10-‐11 pb (2013-‐2015: installaSons) Prospects for bolometers: 1 t experiment in US (GEODM) and Europe (EURECA) < x10-‐10 pb
GIULIANI IFAE12
The data favor the presence of a modulated behaviour
with all the proper features for DM particles in the galactic halo at about
9σ C.L.
DAMA/NaI (7 years) + DAMA/LIBRA (6 years). Total exposure: 1.17 ton⋅yr (the largest exposure ever collected in this field)
CoGeNT 330 gr. di HPGe
Evidenza modulazione a 2.8 σ
Kim, KIMS DM
Questo exp. e’ fafo con Ioduro di Cesio; discuSbile la “traslazione” del loro risultato al caso dello Ioduro di Sodio di DAMA/LIBRA
DARK SIDE inside BOREXINO
DM INDIRECT DETECTION
INDIRECT SEARCHES OF DM • WIMPs collected inside celestial bodies ( Earth, Sun): their
annihilations produce energetic neutrinos • WIMPs in the DM halo: WIMP annihilations can take place ( in
particular, their rate can be enhanced with there exists a CLUMPY distribution of DM as computer simulations of the DM distribution in the galaxies seem to suggest. From the WIMP annihilation:
-- energetic neutrinos ( under-ice, under-water exps ICE-Cube, Antares, KM3Net, …)
--photons in tens of GeV range ( gamma astronomy on ground
Magic, Hess, CTA… or in space Agile, FERMI-Glast…) --antimatter: look for an excess of antimatter w.r.t. what is
expected in cosmic rays ( space exps. Pamela, AMS, …)
50
A summary (oversimplified…)
10-14
10-13
10-12
10-11
10 100 1000 104 105
E x
F(>E
) [Te
V/cm
2 s]
E [GeV]
Crab
10% Crab
1% Crab
Fermi
Magic2
Sen
sitiv
ity [
TeV
/cm
2 s ]
Agile
C T A
Argo
Hawc
Hess/Veritas
Far universe Cutoff of pulsars
Fundamental physics Cosmic rays At the knee
Alessandro De Angelis
§ Charged particles (PAMELA, FERMI, ATIC-2, PPB-BETS, HESS)
Measurement of antiproton and antideuteron spectrum (AMS-02,GAPS)
Positron fraction Antiprotons Electrons+positrons
PAMELA e+ effect
NO COVINCING SIGNAL OF DM ANNIHALATION FROM PHOTONS, NEUTRINOS AND ANTIMATTER
SOURCE OF ASTROPHYSICAL NATURE?
Launch of AMS-02 on STS-134 May 16th 27th, 2011 @ 08:56 AM
OPERA A NEUTRINO 2012
… E SIAMO A DUE!!
§ Daya Bay Two near locaSons: 470 m, 576 m One far locaSon: 1648 m
One near detector: 294 m One far detector: 1383 m (from reactor array center)
§ RENO The recent reactor results on θ13
sin2 2θ13 =0.103±0.013(stat.)± 0.011(syst.) PRL -‐
sin2 2θ13= 0.092 ±0.016(stat.)±0.005(syst.) arXiv:1203.1669v2 2 Apr 2012
PRE-‐NEUTRINO2012
a NEUTRINO 2012 conferma ormai a 8 σ
… E ORA CHE CONOSCIAMO GLI ANGOLI DI MESCOLAMENTO DEI NEUTRINI ?
• Il valore grande di θ13 ha riacceso le speranze di poter misurare (un giorno, Δt > 10 anni?):
GERARCHIA DI MASSA DEI NEUTRINI
VIOLAZIONE DI CP NEL SETTORE DEI NEUTRINI
UNA “CARTA” IMPORTANTE NELLE “NOSTRE” MANI (INFN : storicamente Picchi, C. Rubbia… e come
know-‐how afuale ICARUS) (da giocare con chi mostri realisScamente di poter realizzare l’infrastrufura e l’esperimento, no mafer in quale conSnente…)
Discussione de\agliata delle possibilita’ (e probabilita’) di misurare la gerarchia e CPV per rivelatori a Argon liquido (da 10 a 100 Kton) a 730 e 2300 Km. di distanza
LONGHIN ET AL NUTURN12
Sono indicazioni di uno spliVng addizionale Δm2 ∼ 1 eV2 ?? ⇒ Sterile neutrinos
νµ → νe _ _
appearance LSND Gallium anomaly νe disappearance
Reactor anomaly νe disappearance _
ParSally confirmed by MiniBooNE PROPOSTA DI LAr – NESSIE in pralca un rivelatore Icarus-‐like entro il CERN con uno spe\rometro per dislnguere la carica. Altra, complementare, possibilita’ me\ere una sorgente radioarva (Cromo) all’interno o vicino a di Borexino
Ormai conviviamo da 10 -‐15 anni con una serie di “ANOMALIE” nella fisica del neutrino, cioe’ “far” che non si riesce a inquadrare nello scenario standard con I solil 3 neutrini
Anomalie nel mondo dei neutrini?
CALABRESE, ARCHIDIACONA, MELCHIORRI, RATRA 2012
SE VI FOSSERO SOLO LE 3 SPECIE DI NEUTRINI LEGGERI CHE CONOSCIAMO
PHYSICAL ENERGY DENSITY IN REL. PARTICLES TODAY
ATAKAMA COSMOLOGY TELESCOPE E SOUTH POLE TELESCOPE – USANO
INDICAZIONI DALLA COSMOLOGIA A FAVORE DI > 3 SPECIE DI NEUTRINI? “DARK RADIATION”
LIMITE SULLA SOMMA DELLE MASSE DEI NEUTRINI DALLA
COSMOLOGIA
LIMITI PRESENTATI A NEUTRINO2012
1/τ = G(Q,Z) |Mnucl|2〈Mββ〉 2
〈Mββ〉 = ||Ue1 | 2m1 + eiα1 | Ue2 | 2m2 + eiα2 |Ue3 | 2m3 |
Double beta decay and neutrino physics
Light neutrino exchange
Rate of 0ν-‐DBD:
〈Mββ〉 (eV)
1 meV
20 meV
300 meV 100-‐1000 counts/y/ton
0.5-‐5 counts/y/ton
2-‐20 counts/y/ton 50 meV
0.1-‐1 counts/y/(100 ton)
Very low interacSon rates expected (low background, underground)
VOGLIAMO SAPERE SE IN NATURA ESISTONO PARTICELLE CON MASSA DI MAJORANA !!!
62 62
Double beta decay: status
〈Mββ〉 (eV)
In 1998, when neutrino flavour oscillaSons were discovered, the « old-‐generaSon » Heidelberg-‐Moscow experiment (76Ge, Ge diodes) was leading in terms of sensiSvity. Today, it is sSll the most sensiSve experiment in 0ν-‐DBD Difficult subject, slow progresses
New searches, with different techniques, have similar sensiSviSes
Klapdor’s claim T01/2 = (2.23+0.44−0.31) × 1025 y -‐ 〈Mββ〉 = (0.30+0.02−0.03) eV
CUORICINO bolometers
NEMO3 Tracking+calorimeter
KamLAND-‐Zen Large mass scinSllator
« Medium GeneraSon »
« New GeneraSon »
〈Mββ〉 < 0.3 – 0.6 eV Similar sensiSvity
GIULIANI IFAE2012
ADVANCED VIRGO (AdV) 2009-‐2014
• GOALS:
q SensiSvity: about 10x befer than Virgo
q Timeline: be back online with Adv LIGO
We will explore a Universe volume 1000 Smes larger than VIRGO
108 ly
Enhanced LIGO/Virgo+ 2009
Virgo/LIGO
Credit: R.Powell, B.Berger
Adv. Virgo/Adv. LIGO 2014
Project approved by the CSN2-‐INFN Reviewed by CCS –INFN Class Ranking A
Un paio di pensieri finali • SE NON ORA, QUANDO? La nostra fisica sta vivendo uno di quei (non frequenS) momenS parScolari in cui domande fondamentali ( es. e’ il bosone di Higgs a implementare il meccanismo di Higgs?, e se si’, e’ l’Higgs del Modello Standard?, chi stabilizza la sua massa al valore giusto, e’ una nuova fisica al TeV figlia di una teoria “piu’ fondamentale” o e’ il frufo di una “scelta” parametrica di Spo antropico…., e se esiste tale nuova fisica al TeV puo’ “dar luce” a un WIMP per la materia oscura, etc.) finalmente troveranno una risposta dagli esperimenS in questo decennio
• L’INFN e’ in prima linea su tur e tre i grandi fronl lungo cui vogliamo sfondare le ullme resistenze della Natura a fornirci una risposta a tali domande: sull’ ALTA ENERGIA, sull’ALTA INTENSITA” e sulla FISICA ASTROPARTICELLARE ( e questo primato dell’INFN non si deve solo ai (giovani e meno givani) fisici) ma a TUTTI coloro che contribuiscono con noi a questo sforzo
…qui sono staS rivelaS, riguardo a questa nuova ed eccellente scienza, di cui il mio lavoro e’ solo l’inizio, strade e strumenS dei quali altre menS, piu’ acute della mia, esploreranno gli angoli piu’ remoS.
GALILEO GALILEI
