Course Syllabus
Obiettivi
Fornire agli studenti le nozioni necessarie per comprendere e interpretare le misure sperimentali nella fisica delle alte energie effettuate a collider leptonici e adronici. In particolare verrano discusse le misure di precisione effettuate ai collisori elettrone-positrone LEP e SLC ed ai collisori adronici Tevatron e LHC, chiarendone il ruolo e l'impatto nella definizione della teoria delle interazioni fondamentali delle particelle (Standard Model).
Contenuti sintetici
Misure sperimentali effettuate a LEP e SLC e verifica sperimentale di precisione delle predizioni del modello standard. Deep inelastic scattering e PDF per i nucleoni. Introduzione alle misure ad un collider adronico e alla loro interpretazione. Misure sperimentali a Tevatron e a LHC ( massa W, massa top, ricerca del bosone di Higgs).
Programma esteso
Breve riepilogo della teoria del modello standard.
Osservabili al tree-level in collisioni e+ e-: lineshape della Z, sezione d’urto al picco, asimmetrie( Left-Right, Forward-Backward, polarizzazione). Misure di sezioni d’urto integrali e differenziali, misure di asimmetria. Pseudo-osservabili a LEP, correzioni radiative QED. Contributi alle incertezze sulle misure: energia del fascio e luminosita’. Risultati per i pseudo-osservabili con commento su incertezze. Misure della larghezza invisibile e numero di neutrini. Misure di asimmetrie a SLC. Misura di polarizzazione del tau. Identificazione dei quark b e misure di asimmetria dei quark b.
Confronto delle misure a LEP/SLC con le previsioni della teoria, e correzioni elettrodeboli.
Studi a LEP II: misura “diretta” della larghezza invisibile della Z , misura di massa W e TGC.
Deep Inelastic Scattering, definizione delle variabili di interesse, modello a partoni e scaling. Funzioni di struttura del protone (PDF). Determinazione sperimentale delle PDF. Scala di fattorizzazione ed evoluzione delle PDF.
Sezione d'urto in collisioni con adroni e sezioni d'urto partoniche.
Introduzione ai collider adronici e variabili di interesse a collider adronici: caratteristiche delle collisioni, momento trasverso (PT), (pseudo)-rapidita’ , missing transverse energy, massa trasversa. Underlaying event e pile-up. Misure di luminosità a collider adronici.
Ricostruzione di jet, misure di sezioni d'urto di produzione di jet, ricerche con massa invariate di coppie di jet.
Misure della massa del bosone W.
Scoperta del quark top e misure della massa del top.
Rottura spontanea di simmetria, il ruolo del bosone di Higgs. Determinazione preliminare della massa del bosone di Higgs da misure indirette, ricerca diretta del bosone di Higgs a LEP e Tevatron, scoperta del bosone di Higgs a LHC.
Prerequisiti
Ci si aspetta che gli studenti abbiano conoscenza delle nozioni del corso di Particelle I e del corso di Fisica teorica I.
Modalità didattica
Lezioni frontali
Materiale didattico
Alcuni possibili libri di riferimento:
P. Renton "Electroweak Interactions"
M. Thomson "Modern Particle Physics"
R.Tenchini, C. Verzegnassi "The Physics of the Z and W Bosons"
Articoli di riferimento (reperibili in rete):
"Precision Electroweak Measurements on the Z Resonance" https://arxiv.org/abs/hep-ex/0509008
"Jet Physics at the Tevatron" ( 10.1146/annurev.nucl.012809.104430 )
"Top Quark Properties and Interactions" ( 10.1146/annurev.nucl.58.110707.171224 )
"Measurement of the W Boson Mass at the Tevatron" ( 10.1146/annurev.nucl.58.110707.171227 )
G. P. Salam, "Towards Jetography", arXiv:0906.1833
S. Forte, G. Watt, "Progress in the determination of the partonic structure of the proton" arXiv:1301.6754
S. Van Der Meer, "Calibration of the Effective Beam Height in the ISR"
Lezioni (reperibili in rete):
G. Zanderighi, "Modern QCD", CERN 2010 Academic Training Lectures
L. Reina "TASI 2011: lectures on Higgs-Boson Physics", arXiv:1208.5504
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Secondo semestre (Marzo-Giugno)
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Esame orale. L'esame vertera' su tutti gli argomenti trattati durante il corso e lo studente e' invitato a cominciare con la discussione di un argomento a sua scelta che abbia deciso di approfondire. Durante la discussione lo studente può far uso di appunti, grafici ed e' invitato a preparare una presentazione per discutere tale argomento.
Orario di ricevimento
Su appuntamento, accordato con i docenti in aula oppure via email.
Aims
Provide students with the necessary knowledge to understand and interpret experimental measurements in high-energy physics with lepton and hadron colliders. In particular, the precision measurements carried out at the electron-positron colliders LEP and SLC and at the hadron colliders Tevatron and LHC will be discussed, clarifying their role and impact in defining the theory of fundamental particle interactions (Standard Model).
Contents
Experimental measurements performed at LEP and SLC and experimental tests of the predictions of the standard model. Deep inelastic scattering and PDF for nucleons. Introduction to measurements to a hadron collider and to their interpretation. Experimental measurements at Tevatron and at LHC (W mass, top mass, search for the Higgs boson).
Detailed program
Brief summary of the standard model theory.
Observable at tree-level in positron-electron collisions: lineshape of the Z, peak cross section, asymmetries (Left-Rigt, Forwrd-Backward, polarisation). Measurements of total and differential cross sections, asymmetry measurements. Pseudo-observable at LEP, QED radiative corrections. Contributions to the measurement uncertainties : beam energy and luminosity. Results for pseudo-observables with comment on uncertainties. Invisible width measurements and number of neutrinos. SLC asymmetries measurements. Polarization measurement of tau. Identification of b quarks and measurement of the asymmetry for b quarks.
Comparison of the LEP/SLC measurements with the theoretical predictions, EWK corrections.
LEP-II measurements: "direct" measurement of the invisible width of the Z, measurement of mass W and TGC.
Deep Inelastic Scattering, definition of the relevant kinematic variables, parton model and scaling. Structure functions of the proton (PDF). Experimental determination of PDFs. Factorisation scale and PDF evolution.
Cross section in collisions with hadrons and partonic cross sections.
Introduction to hadron colliders and relevant kinematic variables: characteristics of collisions, transverse momentum (PT), (pseudo)-rapidity, missing transverse energy, transverse mass. Underlaying event and pile up. Luminosity measurements at hadron colliders.
Reconstruction of jets, measurements of cross sections of jet production, jet pairs invariant mass spectrum.
Precision measurement of the mass of the W boson.
Discovery of the top quark and measures of the mass of the top.
Spontaneous symmetry breaking, the role of the Higgs boson. Preliminary determination of the Higgs boson mass through indirect measurements, direct search of the Higgs boson at LEP and Tevatron, discovery of the Higgs boson at LHC.
Prerequisites
Students are expected to have familiarity with the topics of the courses "Particelle I" and "Fisica teorica I"
Teaching form
Lectures
Textbook and teaching resource
Books:
P. Renton "Electroweak Interactions"
M. Thomson "Modern Particle Physics"
R.Tenchini, C. Verzegnassi "The Physics of the Z and W Bosons"
Articles:
"Precision Electroweak Measurements on the Z Resonance" https://arxiv.org/abs/hep-ex/0509008
"Jet Physics at the Tevatron" ( 10.1146/annurev.nucl.012809.104430 )
"Top Quark Properties and Interactions" ( 10.1146/annurev.nucl.58.110707.171224 )
"Measurement of the W Boson Mass at the Tevatron" ( 10.1146/annurev.nucl.58.110707.171227 )
G. P. Salam, "Towards Jetography", arXiv:0906.1833
S. Forte, G. Watt, "Progress in the determination of the partonic structure of the proton" arXiv:1301.6754
S. Van Der Meer, "Calibration of the Effective Beam Height in the ISR"
Lectures:
G. Zanderighi, "Modern QCD", CERN 2010 Academic Training Lectures
L. Reina "TASI 2011: lectures on Higgs-Boson Physics", arXiv:1208.5504
Semester
March-June
Assessment method
Oral examination. The exam will cover all the topics discussed during the course and the student is invited to start with the discussion of a topic of his choice. During the discussion the student can use notes, graphs. to discuss this topic. Slides to help guiding the discussion are welcome.
Office hours
By appointment, either agreed with the teachers in classroom or via email.
Staff
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Alessio Ghezzi
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Pietro Govoni