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 ha diversi modi di decadimento possibili. I due che potreste vedere sono

• decadimenti del bosone di Higgs in due bosoni Z
• decadimenti del bosone di Higgs in due fotoni.

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.

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?

Ci sono diversi modi in cui il bosone di Higgs può decadere. Ci occuperemo di 2 casi:

• I decadimenti del Higgs in due bosoni Z e il successivo decadimento delle Z in leptoni carichi che genereranno 4 tracce leptoniche: 2 coppie di muoni (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⁺).
• I decadimenti del Higgs in due fotoni. I fotoni non hanno carica elettrica e quindi non è possibile vederli nel tracciatore. Tuttavia rilasciano un grande deposito di energia in ECal.

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?

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:

• Vai all' introduzione
• Fai riferimento alla screencast per iSpy e CIMA e alla documentazione CMS Masterclass.
• Chiedi al tuo mentore o insegnante.

Analisi degli eventi

Avrai a disposizione questi strumenti:

• display dell'evento (iSpy-webgl)
• CMS Instrument for Masterclass Analysis (CIMA)
• un compagno

Tu e il tuo compagno dovrete esaminare il display dell'evento, interpretarlo e segnare i risultati delle vostre osservazioni nel foglio elettronico. Il foglio elettronico serve per calcolare i rapporti di decadimento e le masse dei bosoni Z. Questi dati sulle masse dovranno essere combinati e inseriti nel pacchetto di istogrammi della vostra Masterclass. I docenti guideranno tutto il gruppo alla comprensione dei risultati prima dell'inizio della videoconferenza.

Vi verranno assegnati 100 eventi da esaminare. Analizzando l'evento, domandati:

• La traccia che sto osservando è un muone oppure un elettrone?
• È un W, uno Z o un'altra particella dello "zoo"?
• Se è un W, qual è la sua carica: è un W+ o un W-?
• Se è più probabile che si tratti di un candidato Z, è possibile identificare le due tracce dei leptoni ed usarle per trovare la massa invariante della particella decaduta?
• Se è più probabile che si tratti di un Higgs, è un decadimento in 4 leptoni o 2 fotoni?

Potrete registrare tutte le vostre conclusioni negli appositi spazi del foglio elettronico.


Risultati

Il docente vi aiuterà a combinare i risultati individuali (fino a 3000 risultati) per produrre i seguenti risultati complessivi della Masterclass di Istituto:

• il rapporto W/Z (meno facile di quel che sembra).
• il rapporto W+/W-.
• il rapporto e/μ.
• la massa del bosone Z e di eventuali altre particelle con decadimenti simili presenti nel grafico della massa invariante
• il numero di possibili eventi di Higgs con 4 leptoni e 2 fotoni nello stato finale del decadimento

Durante la videoconferenza questi vostri risultati verranno combinati con quelli degli altri Istituti, che partecipano alla Masterclass. In particolare:

• Ogni Istituto presenterà rapidamente i propri risultati.
• 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).