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domenica 15 novembre 2015

Supersymmetry New physics beyond the Standard Model


elliptical galaxy NGC 1132 combining an image from NASA's /Chandra X-Ray Observatory/ obtained in 2004 with images from the /Hubble Space Telescope/ made in 2005 and 2006 in green and near-infrared light. (Photo : NASA, ESA, M. West (ESO, Chile), and CXC/Penn State University/G. Garmire, et al.)

" La conoscenza è come la luce di una candela. Quanto più brilla la sua luce, tanto più si allarga il confine tra luce e buio, ampliando ancora di più ciò che in questo buio non sappiamo " (Blaise Pascal)



L'obiettivo originale della fisica delle particelle elementari è stato quello di comprendere la natura delle forze subnucleari, dell'elettromagnetismo, e delle forze deboli.

La forza debole è responsabile del decadimento beta dei nuclei atomici, associato alla radioattività, per il quale un neutrone si trasforma in un protone con l'emissione di elettroni e neutrini.

L'interazione debole è unificata a quella elettromagnetica nella teoria elettrodebole, secondo la quale esse sono due diverse manifestazioni di un'unica interazione, detta appunto elettrodebole.

Alla fine del 1960 e l'inizio del 1970, modelli specifici per queste forze sono stati proposti in forma di teorie di gauge di Yang-Mills, dando una bella spiegazione di tutte e tre le interazioni (subnucleari- elettomagnetiche- elettrodeboli) da un unico punto di vista. Insieme, queste teorie divennero note come il 'Modello Standard'. 

Oggi abbiamo una grande fiducia nel descrivere le forze fondamentali in base al principio indicato nel Modello Standard, e di reputare questo modello corretto.

Attraverso esperimenti di precisione che coinvolgono bosoni W e Z realizzati negli ultimi venticinque anni, è stato testato il Modello Standard rigorosamente, e la teoria ha superato tutti i test. Il più recente esperimento è stato quello della ricerca del bosone di Higgs, richiesto nel Modello Standard per generare quark, leptoni e bosoni vettoriali . Un anno fa, gli esperimenti ATLAS e CMS presso il Large Hadron Collider hanno scoperto un buon candidato per questa particella che, al livello attuale delle misurazioni, ha tutte le proprietà previste nel Modello Standard. Si tratta di un livello storico di successo sia per la teoria che come esperimento.

Questo modello ha predetto l'esistenza di campi fondamentali, le loro dinamiche, un campo scalare responsabile per la rottura di una simmetria di gauge, e le interazioni tra le particelle con una precisione senza eguali nella storia della scienza. E, tuttavia, il risultato è ancora insoddisfacente. Nella scienza cambiamenti rivoluzionari portano ad una nuova serie di domande. Il successo del Modello Standard non è diverso. Anche se abbiamo risposto a molte domande sulla struttura delle particelle elementari, abbiamo una nuova serie di domande sulla struttura del Modello Standard stesso. La scoperta del bosone di Higgs acuisce questi problemi e li rende ancora più misteriosi. Ci sono molti fenomeni in natura che, ovviamente, esulano dal Modello Standard.

Ora sappiamo che l'85 per cento della materia nell'universo è materia oscura: neutrale, debolmente interagente con la materia composta da una o più specie non contenute nel Modello Standard. L'eccesso di barioni sugli antibarioni nell' universo 

(barione  significa "pesante", termine dato alle particelle caratterizzate da una massa maggiore rispetto alle altre conosciute. I barioni più noti sono i protoni ed i neutroni, che costituiscono la maggior parte della massa della materia visibile nell' universoE' soggetto alle forze nucleari forti)  non si spiega con il Modello Standard. Anche se il Modello Standard contiene tutti gli ingredienti necessari per generare il numero barionico nell'universo primordiale, tra cui la violazione del numero barionico, ed  una transizione di fase della storia cosmica, si sospetta un' asimmetria barione-antibarione che è troppo elevata, praticamente di dieci ordini di grandezza.

I numeri quantici dei quark e dei leptoni sotto la simmetria di gauge Modello Standard SU (3) × SU (2) × U (1) - dove SU sta per gruppo Speciale Unitario -  suggerisce fortemente che questi gruppi di simmetria sono unificati in un più grande sistema costituente il gruppo SU (5) o SO (10); tuttavia, i risultati delle misure di precisione dei punti di forza di accoppiamento non è coerente con questa ipotesi.

Alla base della formulazione del Modello Standard viene posto il principio di simmetria fondato sulla teoria di Yang-Mills. Esso consiste sull' invarianza di questa teoria sotto opportune trasformazioni, dette " di gauge".
Il Modello Standard non può spiegare le masse dei neutrini senza l'aggiunta di alcune nuove particelle. Inoltre, il modello di interazione debole per il mix di differenti neutrini è completamente diverso da quello osservato per i quark.
Il Modello Standard non comprende la forza di gravità o la debole - ma diversa da zero - nello spazio vuoto che dà origine all' energia oscura. Inoltre, vi è un grande puzzle teorico riguardante il modello standard, da mettere a posto. Se l'Higgs è una particella scalare elementare, la sua massa è sensibile alle masse di qualsiasi particella più pesante a cui accoppiarsi.
La scoperta del bosone di Higgs ha cambiato il nostro punto di vista nel modo in cui affrontiamo questi fenomeni inspiegabili e molte questioni teoriche. Questo è vero per tre ragioni.
In primo luogo, il bosone di Higgs completa la gamma delle particelle del Modello Standard. Abbiamo ora trovato tutte le particelle del Modello Standard e misurato molte delle loro proprietà. E 'ora chiaro esattamente ciò che il modello non spiega. Siamo entrati in una nuova era in cui la verifica del Modello Standard passa in secondo piano per la ricerca di nuove forze sconosciute e per le interazioni tra particelle .
In secondo luogo, uno dei misteri principali della direttiva riguarda il bosone di Higgs stesso. Il bosone di Higgs è stato previsto come diretta conseguenza del modello più semplice della generazione della massa per quark, leptoni e bosoni di gauge. Per molto tempo, molti fisici delle particelle hanno espresso un certo disagio con questo modello. Ora la previsione è diventata una realtà. Dobbiamo fare i conti con essa e capire perché la natura sceglie una particella con queste proprietà per fare il suo lavoro.
In terzo luogo, il bosone di Higgs stesso ci dà un nuovo approccio sperimentale. All'interno del Modello Standard, tutte le proprietà del bosone di Higgs sono appunto previste dal valore della massa di Higgs. Ma, non appena facciamo un passo fuori dal Modello Standard, le proprietà del bosone di Higgs sono quasi costrette dalla teoria. E 'interessante indagare su questa particella, fino alla rottura del modello standard. Abbiamo bisogno di applicare per il bosone di Higgs lo stesso controllo che abbiamo applicato nei decenni precedenti alla struttura degli adroni, per il sistema di quark pesanti, per i bosoni W e Z, e per i top quark.
Questo approccio sperimentale ha acquisito un nuovo, promettente target. Per l'esplorazione delle regioni sconosciute al di fuori del modello standard, siamo incoraggiati dal fatto che potenti strumenti sperimentali saranno messi in gioco. Si prevede che nei prossimi dieci anni, il Large Hadron Collider (LHC) del CERN avrà quasi il doppio della sua energia attuale.
Questa nuova funzionalità sarà messa a dura prova da molti modelli che predicono una nuova fisica oltre il Modello Standard e per affrontare i fenomeni inspiegabili elencati in precedenza .
Nel prossimo decennio l' LHC dovrebbe aumentare i suoi set di dati di un ulteriore fattore, fino a 3000 fb-1. Fisici delle particelle hanno proposto di far collidere leptoni e adroni di maggiore energia. Ora abbiamo davanti a noi strumenti per una completa esplorazione di questa regione di massa e di distanza. Si tratta di un programma convincente.
Tuttavia, molte delle domande che abbiamo elencato precedentemente si riferiscono specificamente alla scala di energia di centinaia di migliaia di GeV che si sta esplorando oggi all' LHC. Si ritiene che sia indispensabile un notevole aumento di potenza dell' LHC per capire le particelle e le forze in questa 'scala del TeV' (TeraelettronVolt) a fondo, utilizzando tutti gli strumenti a nostra disposizione. C'è però  un confine netto dove la nostra conoscenza  delle interazioni fondamentali tra particelle elementari si ferma . Questo fatto è legato a due facce diverse che il Modello Standard presenta, le quali poggiano su differenti basi teoriche.
Il lavoro dei fisici teorici insieme a quelli sperimentali sarà ancora lungo, ma le basi del lavoro futuro sono state saldamente poste, e le risposte potranno svelare i misteri ancora nascosti della materia oscura presente nell' universo.




“The Higgs mass that we measure is consistent with the Standard Model if the parameters of the model are carefully tuned to something like 30 decimal places,” said Joe Incandela, a UC Santa Barbara physics professor and scientist in CERN's Compact Muon Solenoid (CMS) experiment, one of four detectors located along the LHC 16-mile collider tunnel. 

“This seems very unnatural to us. When you introduce new physics, like supersymmetry, things come into balance and you do not have to tune anymore. We’re trying to find the evidence for supersymmetry for this reason, and because we know there’s dark matter, which is also predicted in supersymmetry models. So all in all, we’re looking for the bridge to the next chapter of the story.”

New physics beyond the Standard Model and the Brout-Englert-Higgs mechanism may be discovered as a result of the upgrades to the accelerator and its detectors, as well as clues to understanding dark matter and supersymmetry. Among the mysteries the scientists at CERN are trying to solve is how the Brout-Englert-Higgs boson, discovered in 2012, could exist at the low mass it was found to have.
CERN scientists and engineers are meeting to kicking off the plans for upgrades to parts of the Large Hadron Collider and its detectors. The High Luminosity LHC project has resulted in plans for new technologies and innovations to elements such as the accelerator’s magnets, optics and superconducting links.
“The LHC already delivers proton collisions at the highest energy (13 TeV) and the highest luminosity ever achieved by an accelerator,” said CERN Director General Rolf Heuer. “Yet the LHC has only delivered 1 percent of the total planned number of collisions.” The upgrade to what will become the HL-LHC he said, is expected to produce 10 times more collisions than the current LHC will have created in its first decade, and will extend the potential to make discoveries.
“Basically, we’re quite happy,” said Incandela. “At this meeting we basically agreed that the plans are solid, the costs are reasonable, and so we can move forward now to get them done and ready to install in roughly eight years from now.”
To make the most of of the more intense beams and the higher probability of collisions Incandela and colleagues, have been working on additions and improvements to the detector that are aimed at increasing its sensitivity.
Among the improvements already in play at CMS is the installation of an additional muon detecting layer, and improved electronics for the muon system. The new electronics involve a substantial contribution from UCSB. Muons are often found in events of keen interest to the scientists and it is important to detect them efficiently and to reconstruct them accurately, said the reserachers. The recently completed upgrades represent significant improvements in these areas
Meanwhile, Incandela and his team are working on the High Granularity Calorimeter, an upgrade to the existing calorimeter on the CMS detector that would enable continued operation in regions where the density of particles produced in each beam crossing is enormous. Thanks to new superconducting quadrupole magnets that focus the proton beams as they whip around the accelerator tunnel, radiofrequency “crab cavities” that will tilt these more intense beams to increase the area where they overlap and other improvements to the LHC accelerator complex, the LHC will vastly increase the number of collisions that will occur and with it, the likelihood of generating particles of interest and rare processes.
“Each time the beams cross — which happens about 33 million times each second — there will be as many as 200 pairs of protons colliding,” Incandela said.
But with more collisions comes more debris to sift through. In any beam crossing event, at most one pair of proton-proton collisions will be interesting, said Incandela, and the rest will produce more than a thousand high-energy particles that create noise all over the apparatus, especially in the regions near the beam line itself.
“For some of the most important physics that we do, we have to be able to pull out important information from these regions,” he said. “Not only does the HGC have to withstand a huge amount of radiation over 10 years of operation, it must also provide the scientists the information needed to recognize important processes that are key to the search for new physics.”
To help separate the particles of interest from the background of debris created by hundreds of other simultaneous proton-proton collisions, the new calorimeter will exchange a system with roughly 10,000 sensing elements for one with roughly 10 million sensing elements. It would be the first time a calorimeter of this basic type has ever been operated in the intense environment of a proton collider, said Incandela, and it will be by far the most complex and largest of its type ever built. Assuming it works as expected, he added, it is likely to be the design of choice for calorimeters in many future high-energy physics experiments.
And there will be a huge amount of information to sift through: It is estimated that the High Granularity Calorimeter alone will produce around 1,000 trillion bits of data per second, about 10 percent of which are used in real time to help select beam crossing events of interest. Only one in 3,000 events will be recorded for offline analysis.

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