INTRODUZIONE

La sezione dell’INFN di Roma Tre collabora all’esperimento ATLAS fin dalla sua progettazione.

Logo del gruppo ATLAS di Roma Tre

I componenti attuali della sezione che collaborano all’esperimento sono:

Toni Baroncelli, Michela Biglietti, Filippo Ceradini, Biagio Di Micco, Roberto Di Nardo, Ada Farilla, Mauro Iodice, Domizia Orestano, Fabrizio Petrucci e Giuseppe Salamanna.

Il gruppo è composto anche da 7 dottorandi:

Ina Paris Bastha, Maria Teresa Camerlingo, Valerio D’Amico, Luca Martinelli, Eleonora Rossi, Muhammad Sohail e Valentina Vecchio.

COS’È ATLAS?

L’esperimento ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) è uno dei sei rivelatori di particelle, insieme a ALICE, CMS, TOTEM, LHCb e LHCf, in funzione sul Large Hadron Collider (LHC) del CERN.

Simulazione della struttura del detector; in diversi colori sono evidenziati i diversi sub-rivelatori

ATLAS è stato progettato per spingere la conoscenza dell’energia e della materia, superando i confini finora conosciuti, e per scoprire le ragioni per cui il nostro Universo è come ci appare oggi.

Per svelare i segreti della natura attraverso lo studio delle collisioni fra particelle è necessario uno sviluppo tecnologico senza precedenti. Oltre 5000 scienziati provenienti da 182 istituti differenti e da 38 paesi al mondo collaborano alla costruzione, allo sviluppo e all’analisi dati dell’esperimento ATLAS.

In particolare, il rivelatore cercherà di mettere alla prova le previsioni fatte dal Modello Standard (la teoria che descrive la nostra conoscenza attuale della fisica delle particelle) con misure di precisione e ricerche di nuove particelle che porterebbero a quella che in gergo è chiamata “nuova fisica”. Questi studi hanno portato anche a grandi scoperte come quella del Bosone di Higgs nel 2012 o all’osservazioni di fenomeni molto rari e potranno portare a cambiare la nostra conoscenza del mondo.

Foto dell’esperimento durante la sua fase di assemblaggio. Particolare durante l’inserimento dei calorimetri all’interno delle camere a muoni e del toroide centrale [ATLAS Experiment CERN]

ATLAS, in funzione dal 2008, è uno dei più complessi apparati mai costruiti per la fisica delle particelle. Le sue dimensioni sono gigantesche, raggiungendo 46 metri in lunghezza e i 25 metri di diametro ed arrivando a pesare circa 7000 tonnellate.

Per poter gestire un macchinario così grande, è necessario dividerlo in diversi sotto-rivelatori, ognuno progettato e costruito per la rivelazione e l’identificazione di una particolare (o un gruppo) particella, che sono disposti con una simmetria cilindrica attorno all’asse dei fasci. Le particolarità di questi sotto-rivelatori sono la alta velocità di risposta, i più rapidi arrivano a 25 ns che è la frequenza delle collisioni ad LHC, e la precisione della misura della traccia delle particelle migliore di 100 micron.

Partendo dal centro del rivelatore, dove avviene l’interazione tra i due fasci di protoni di LHC, si trova il rivelatore interno (composto da pixel di silicio, strip di silicio ed una camera a radiazione di transizione) per la misura dei vertici (primari e secondari) e la ricostruzione delle tracce delle particelle cariche da cui si può ricavare la loro quantità di moto. A seguire è presente il calorimetro elettromagnetico per la misura dell’energia degli elettroni e dei fotoni ed il calorimetro adronico per la misura dell’energia di tutte quelle particelle che interagiscono in maniera “forte”, cioè gli adroni. Infine sono presenti le camere a muoni per l’identificazione dei muoni e per la misura della loro quantità di moto.

Maggiori informazioni si possono trovare sulla pagina web di ATLAS o sulla pagina di ATLAS Italia.

STUDI SUI RIVELATORI

Monitored Drift Tubes (MDT): 

L’esperimento ATLAS è stato costruito per avere grandi prestazioni, soprattutto per i muoni dal momento che una delle particelle più frequenti negli stati finali ad LHC. Lo spettrometro a muoni dell’esperimento è composto da camere di trigger (Resistive Plate Chamber e Thin Gas Chamber) per dare un segnale chiaro e veloce per identificare un evento interessante e da camere traccianti (Monitored Drift Tubes e Cathode Strip Chamber) per la ricostruzione con alta precisione della traccia.

Struttura dello spettrometro a muoni di ATLAS visto di taglio [ATLAS Experiment CERN]

Il gruppo di Roma Tre ha partecipato alla costruzione e al test di alcune delle camere MDT che sono state montate in ATLAS (in particolare nello strato più interno dello spettrometro, BIL e BIR). Esse sono tuttora in funzione e sono state protagoniste delle scoperte di ATLAS, compreso il Bosone di Higgs.

                     

(sinistra) Una delle camere MDT costruite tra Roma, Cosenza e Pavia pronta per essere inserita all’interno di ATLAS. (destra) Struttura interna del singolo tubo di un MDT [ATLAS Experiment CERN]

Attualmente il gruppo di Roma Tre (F. Petrucci) si occupa della calibrazione degli MDT, necessaria per ottenere le alte prestazioni in termini di risoluzione in posizione che è strettamente correlata alla capacità di misurazione della quantità di moto dei muoni. È stato quindi scritto un nuovo algoritmo di calibrazione che permette di far raggiungere una risoluzione media di singola hit per tutte le camere (1172) di circa 81 microsecondi (una milionesima parte di un secondo!) [ CERN-EP-2019-091 ]

Calibrazione del b-tagging usando i decadimenti dei mesoni B in leptoni

In ATLAS la maggior parte degli eventi sono composti da uno o più jet (un agglomerato di tracce che è il più delle volte un segnale della presenza di un quark). Per ricostruire l’evento è necessario riuscire a distinguere le tipologie dei vari jet e quindi da quali particelle sono stati generati.

Particolarmente interessante è l’identificazione dei jet di tipo b (prodotti da un quark bottom) perché molte particelle più pesanti (Higgs, Top, …) decadono frequentemente in questo tipo di quark.

Evento raccolto da ATLAS con 4 jet [ATLAS Experiment CERN]

I quark bottom (presenti nei mesoni B), una volta prodotti nelle collisioni, riescono a viaggiare all’interno del tracciatore molto più a lungo degli altri quark prima di decadere. È quindi possibile ricostruire le dinamiche del decadimento dei quark bottom tramite algoritmi dedicati. In particolare in ATLAS esistono diversi algoritmi di machine learning che prendono le diverse variabili fisiche dei jet e le trasformano in un numero che indica la probabilità che quel jet provenga o meno da un quark bottom.

Tali algoritmi necessitano di essere calibrati ed è qui che entra in gioco il gruppo di Roma Tre (V. Vecchio e G. Salamanna) che misura quanto accuratamente l’algoritmo di b-tagging applicato a delle simulazioni produce gli stessi risultati con i dati raccolti da ATLAS e fornisce una serie di correzioni da applicare alle simulazioni per far si che esse riflettano meglio l’andamento dei dati.

ANALISI DEI DATI RACCOLTI DA ATLAS

Il Modello Standard (MS) delle Particelle è la descrizione migliore, seppur incompleta, del comportamento dei costituenti della materia e delle loro interazioni fondamentali (ad eccezione della forza gravitazionale).

Tutte le interazioni osservate in natura possono essere spiegate mediante lo studio del comportamento di un certo numero di particelle (e anti-particelle) elementari: 6 leptoni (tra cui gli elettroni), 6 quark e 4 bosoni (fotone mediatore della forza elettromagnetica, Z e W mediatori della forza debole e il gluone mediatore della forza forte). A queste particelle aggiungiamo il Bosone di Higgs, recentemente scoperto, mediante il quale il MS riesce ad associare delle masse alle particelle.

La ricerca in fisica delle particelle ora si sta concentrando sulla misura di precisione di tutte le quantità previste dal Modello Standard. Sono in corso quindi misure sulle probabilità di produzione delle particelle (in particolare Higgs e quark Top) e dei loro Branching Ratio (BR, sempre probabilità ma di decadimento in un determinato tipo di particelle). Qualora si dovesse osservare una differenza con le previsioni del MS allora si aprirebbero le strade per ricerche di nuove particelle e/o fenomeni sconosciuti.

Il processo di produzione VH ed il modo di decadimento dell’Higgs in due bosoni W

Il gruppo Roma Tre (A. Baroncelli, M. Biglietti, M.T. Carmelingo, B. Di Micco, A. Farilla) è storicamente impegnato nella ricerca e nella misura del BR del bosone di Higgs prodotto in associazione con un bosone Z o W che poi va a decadere in due bosoni WW.

In particolare il canale studiato è quello dei tre leptoni (in cui si ha produzione dell’Higgs insieme al W) in cui tutti i bosoni W decadono in leptoni [ Phys. Lett. B 798 (2019) 134949 ].

                   

(sinistra) Diagramma di Feynman del processo WH in WWW. (destra) Risultato di ATLAS della combinazione dei canali ZH e WH usando il modo di decadimento in due bosoni WW [Phys. Lett. B 798 (2019) 134949]

Il canale di decadimento dell’Higgs in due bosoni Z: il golden channel di ATLAS

Il Bosone di Higgs che decade in due bosoni Z (uno reale ed uno “immaginario”) che a loro volta decadono entrambi in 2 leptoni è stato uno dei golden channel (il canale più pulito e quindi più performante) usati per la scoperta nel 2012.

Il gruppo di Roma Tre (R. Di Nardo) si occupa della misura del Branching Ratio (probabilità di decadimento) dell’Higgs in quattro leptoni cercando di capire se ci sono discordanze tra le previsioni teoriche e le misure sperimentali [ Phys. Lett. B 784 (2018) 345 ].

                   

(sinistra) Evento ricostruito di un candidato Higgs che decade in 4 muoni. (destra) Grafico del numero di eventi osservati (pallini neri) ed aspettati (istogrammi colorati) in funzione della massa invariante dei quattro leptoni. Si osserva il picco dell’Higgs intorno ad una massa di 125 GeV [ATLAS Experiment CERN] [Phys. Lett. B 784 (2018) 345]

Misura degli accoppiamenti dell’Higgs con se stesso e con le altre particelle del MS

Un altro importante parametro da misurare è il “self-coupling” del bosone di Higgs, ovvero quanto (in termini probabilistici) il bosone di Higgs riesce ad interagire con se stesso.

Questa misura permette di migliorare la conoscenza delle proprietà della particella scoperta nel 2012, confermando le previsioni del MS o aprendo alla possibilità di nuovi processi. Inoltre, è anche una delle misure di riferimento per tutti i futuri acceleratori di particelle che sono attualmente in progetto.

Questa analisi è portata avanti dal gruppo di Roma Tre (E. Rossi, B. Di Micco, R. Di Nardo) mediante la combinazione dei risultati delle analisi di produzione di un singolo bosone di Higgs con i risultati delle analisi di produzione di coppie di bosoni di Higgs.

Utilizzando i risultati ottenuti dalle analisi di questi due tipi di processi si riesce ad aumentare il potere statistico (il numero di dati totali) a disposizione e quindi è possibile ottenere misure più precise [ATL-PHYS-PUB-2019-009].

Diagrammi di Feynman da cui si possono estrarre informazioni sul self-coupling del Bosone di Higgs

Ricerca di produzione di doppio Higgs nel canale di decadimento in bbWW

Il gruppo di Roma Tre (V. D’Amico, B. Di Micco, M. Sohail) è coinvolto nella ricerca di eventi in cui avviene la produzione di una coppia di bosoni di Higgs. In particolare si occupa dell’analisi del canale in cui un Higgs decade in due quark b e un Higgs decade in due bosoni W, dei quali uno che decade adronicamente e l’altro che decade in leptone e neutrino.

Un simile processo è previsto dal MS con una probabilità di avvenire molto bassa, il ché permette di poter studiare non solo quantità fisiche previste e non ancora misurate della teoria attuale (come l’accoppiamento dell’Higgs con se stesso) ma anche di poter accedere a segnali di eventuale nuova fisica [ JHEP 04 (2019) 092 ]. 

Misura di Rb con eventi top-antitop nel canale dileptonico

Il quark Top è la particella più pesante conosciuta (più del Bosone di Higgs) ed ha proprietà uniche che potrebbero portare informazioni ad alcuni problemi aperti nella fisica delle particelle.

Sappiamo che i quark più pesanti decadono in quark più leggeri seguendo quella che viene chiamata matrice di Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM). In particolare la matrice CKM predice una probabilità di decadimento del top in quark di tipo b (Vtb) con una probabilità leggermente inferiore al 100%.

Ricostruzione grafica di un evento top-antitop raccolto da ATLAS in cui il top/antitop che decade in un quark di tipo b (cono giallo) e un bosone W che a sua volta decade in un leptone [ATLAS Experiment CERN]

Il gruppo di Roma Tre (V. Vecchio e G. Salamanna) si occupa della misura di Rb, un parametro strettamente correlato a Vtb, attraverso lo studio del numero di volte in cui un quark top (o un quark antitop) decadono in bW con il bosone W che decade in un leptone ed un neutrino [ Eur. Phys. J. C (2017) 77:804 ]

Misura della cross-section top-antitop inclusiva e differenziale

Il gruppo di Roma Tre (L. Martinelli e G. Salamanna) si occupa di misurare la probabilità di produrre una coppia top-antitop (sia totale che in funzione di variabili cinematiche dei leptoni) ad ATLAS andando a cercare eventi in cui il top e l’antitop decadono in un quark di tipo b ed un bosone W che a sua volta decade in un leptone.

La conoscenza di queste quantità con un’ottima precisione è necessaria al fine di produrre previsioni molto accurate che verranno usate nella stima dei fondi per altri processi interessanti studiati dall’esperimento ATLAS [ Eur. Phys. J. C (2017) 77:804 ]

Misura, usando i dati raccolti da ATLAS nel Run I, della cross-section top-antitop in funzione della massa invariante dell’elettrone e del muone [Eur. Phys. J. C (2017) 77:804]

UPGRADE DELL’ESPERIMENTO

Il programma di LHC attualmente prevede quello che è chiamato Long Shutdown 2 (LS2) in l’acceleratore del CERN verrà aggiornato. Un ulteriore miglioramento della macchina è previsto tra gli anni 2024-2026 in cui verrà aumentata la luminosità istantanea (il modo in cui si misurano il numero di collisioni e quindi di particelle prodotte) di 5-7 rispetto al valore di progetto iniziale di LHC.

Schedula prevista per LHC nei prossimi anni [HL-LHC Project CERN]

L’esperimento ATLAS ha necessità di migliorare le sue prestazioni per riuscire a reggere questo grande incremento del flusso di particelle atteso.

Uno dei più grandi upgrade previsti si basa sulla sostituzione nella prima regione dello spettrometro a muoni in avanti, la Small Wheel, con la New Small Wheel (NSW).

La NSW, a forma di ruota, sarà composta da due nuove tecnologie all’avanguardia nella fisica dei rivelatori di particelle, le MicroMegas e le small Thin Gap Chamber.

Struttura meccanica della NSW pronta per accogliere i nuovi rivelatori

Il gruppo di ATLAS di Roma Tre (T. Baroncelli, I. P. Bastha, M.T. Camerlingo, V. D’Amico, R. Di Nardo, A. Farilla, M. Iodice, L. Martinelli, D. Orestano, F. Petrucci) si occupa di una parte della costruzione, nella camera pulita presente nei laboratori INFN, delle camere MicroMegas che verranno poi montate in ATLAS.

Inoltre il gruppo è parte del team di ATLAS di analisi delle performance di queste camere partecipando sia alla presa dati che all’analisi delle camere posizionate sul fascio di particelle dell’SPS (al CERN) sia allo stand di raggi cosmici (del Laboratori Nazionali di Frascati).

In ultimo si occupa anche della validazione della simulazione di questi nuovi rivelatori all’interno di ATLAS.

     

(sinistra) Foto durante una fase di costruzione dei rivelatori nella camera pulita di Roma Tre. (destra) Foto di uno dei primi rivelatori di particelle posizionato sul fascio dell’SPS del CERN pronto per essere studiato.

PROPOSTE DI TESI

 

TESI PASSATE

Tesi di Dottorato

Search for the associated production of the Higgs Boson with a top quark pair production in multilepton final state at sqrt(s) = 13 TeV with the ATLAS detector”, M.Sessa (tutor: G. Salamanna) – 2017 (XXIX ciclo)

Study of (W/Z) H production using H->WW* decays with the ATLAS detector at LHC”, D. Puddu (tutor: D. Orestano) – 2016 (XXVIII ciclo)

Associated production of the Higgs Boson with a W boson in proton-proton collisions: an explorative analysis of the three-leptons final state with the ATLAS experiment”, M. Trovatelli (tutor: F. Ceradini) – 2014 (XXVII ciclo)

Study of associated production of W-Higgs boson with the ATLAS detector”, V. Bortolotto (tutor: D. Orestano, T. Tabarelli De Fatis) – 2014 (XXVI ciclo)

A design study of the production of Z bosons in association with b jet in final states with muons with the ATLAS detector at the LHC”, S. Diglio (relatore F. Ceradini) – 2008 (XX ciclo)

The calibration of the Drift Tubes of the ATLAS Muon Spectrometer: validation with beam particles and cosmic rays”, L. Spogli (tutor: F. Ceradini) – 2007 (XIX ciclo)

Systematic study of the calibration and tracking with the Monitored Drift Tubes of the ATLAS Muon Spectrometer”, S. Di Luise (tutor: F. Ceradini) – 2006 (XVIII ciclo)

Detection and tracking of muons in the ATLAS experiment at the LHC: study for an online Z->mumu event selection”, F. Petrucci (tutor: F. Ceradini) – 2003 (XV ciclo)

Tesi Magistrale

Search for the Higgs Boson with a top quark pair in multilepton final state with the ATLAS detector”, V. Vecchio (relatore: G. Salamanna) – 2016

Ricerca del decadimento del leptone tau in tre muoni mediante l’analisi dei dati raccolti dall’esperimento ATLAS ad LHC”, G. Silli (relatore: B. Di Micco) – 2015

Caratterizzazione e studio delle prestazioni di rivelatori a gas di nuova generazione”, A. Selce (relatore: F. Petrucci) – 2015

The Soft Muon Tagger for the identification of b jets in ATLAS”, A. Sciandra (relatore: D. Orestano, G. Salamanna) – 2015

Associated Production of the Higgs Boson with a W Boson: Study of the Three Leptons Final States with the ATLAS Detector at the LHC”, P. Costantini (relatore: F. Petrucci) – 2014

 “Misura della sezione d’urto di produzione inclusiva di muoni in collisioni protone-protone a 7 TeV con il rivelatore ATLAS” M. Trovatelli (relatore: F. Ceradini, F. Petrucci) – 2011

b-quark production in association with a Z boson at the LHC: a selection study with three muons in the ATLAS spectrometer”, M. Verducci (relatore: F. Ceradini, A. Farilla) – 2010

Studio degli eventi Z->mumu nell’esperimento ATLAS”, V. Bortolotto (relatore: D. Orestano) – 2010

Efficienza di ricostruzione di muoni dell’esperimento ATLAS usando una tecnica tag & probe sul decadimento muonico dello Z”, A. Manfredini (relatore: F. Pastore, D. Orestano) – 2010

Produzione di muoni in collisioni protone-protone a 7 TeV di energia nel centro di massa”, L. Falanga (relatore: F. Ceradini, F. Petrucci) – 2010

The ATLAS discovery potential for a charged slepton as next-to-lightest supersymmetric particle”, V. Ferrara (relatore: D. Orestano, K. Monig) – 2009

Studio del canale di decadimento doppio adronico nel processo Vector Boson Fusion H->tau+tau- a LHC”, F. M. Giorgi (relatore: D. Orestano) – 2008

La calibrazione dei rivelatori MDT in ATLAS: metodo e risultati”, R. Febbraro (relatore: F. Pastore) – 2006

Le costanti di calibrazione dei rivelatori MDT dell’esperimento ATLAS”, R. M. Bianchi (relatore: F. Ceradini, A. Baroncelli) – 2006

Tesi Triennale

Studio degli algoritmi di identificazione di quark B in getti di particelle di un collisionatore adronico”, L. Masturzo (relatore: G. Salamanna) – 2018

Studio dell’efficienza del trigger di muoni dell’esperimento ATLAS”, A. Marazzi (relatore: G. Salamanna) – 2018

Ricerca del Bosone di Higgs nel canale di decadimento H->tautau nell’ambito dell’esperimento ATLAS”, V. Vecchio (relatore: D. Orestano) – 2014

Studio delle prestazioni dei rivelatori a gas di ultima generazione”, E. Diociaiuti (relatore: F. Petrucci) – 2014

Fenomenologia delle interazioni protone protone: prospettive per il Large Hadron Collider”, A. Di Cicco (relatore: F. Petrucci) – 2010

Metodi di collaudo e certificazione dei rivelatori MDT dell’esperimento ATLAS”, L. Falanga (relatore: F. Ceradini, F. Cerutti) – 2007

Monitoraggio del sistema di calcolo per il filtro on-line di eventi nell’acquisizione dati di ATLAS”, A. La Rosa (relatore: C. Stanescu) – 2007

Verifica della funzionalità delle camere MDT al CERN prima dell’installazione”, F. Felici (relatore: F. Pastore) – 2007

Studio di un sistema di rivelatori con raggi cosmici”, D. Gelfusa (relatore: F. Ceradini, M. Iodice) – 2006

Un pannello per visualizzare e modificare le condizioni di operazione dei rivelatori MDT dell’esperimento ATLAS”, G. Blankenburg (relatore: F. Pastore, D. Orestano) – 2006

Collaudo e installazione dei rivelatori MDT dell’esperimento ATLAS del CERN”, L. Aperio Bella (relatore: F. Ceradini) – 2006

Tracciamento e studi di risoluzione su camere MDT dell’esperimento ATLAS”, D. Capriotti (relatore: F. Ceradini, M. Iodice)

Tesi Vecchio Ordinamento

Studio delle caratteristiche delle camere a deriva MDT dell’esperimento ATLAS al variare di temperatura e composizione della miscela di gas”, S. Tagliaventi (relatore: F. Ceradini, A. Baroncelli) – 2004

Misura della carica di ionizzazione e ricostruzione di tracce nelle camere a deriva MDT dell’esperimento ATLAS”, E. Ciardelli (relatore: D. Ceradini, A. Baroncelli) – 2003

I rivelatori Monitored Drift Tubes dell’esperimento ATLAS: assemblaggio e misure con raggi cosmici”, A. Pecora (relatore: F. Ceradini) – 2003

I rivelatori per il tracciamento dei muoni nello spettrometro dell’esperimento ATLAS al Large Hadron Collider”, I. Di Sarcina (relatore: F. Ceradini) – 2002