CERN-ACC-SLIDES-2014-0104

CERN-ACC-SLIDES-2014-0104
HiLumi LHC
FP7 High Luminosity Large Hadron Collider Design Study
Presentation
Il bosone di Higgs e i nuovi territori di
caccia all’LHC del CERN
Rossi, L (CERN)
20 October 2014
The HiLumi LHC Design Study is included in the High Luminosity LHC project and is
partly funded by the European Commission within the Framework Programme 7
Capacities Specific Programme, Grant Agreement 284404.
This work is part of HiLumi LHC Work Package 1: Project Management & Technical
Coordination.
The electronic version of this HiLumi LHC Publication is available via the HiLumi LHC web site
<http://hilumilhc.web.cern.ch> or on the CERN Document Server at the following URL:
<http://cds.cern.ch/search?p=CERN-ACC-SLIDES-2014-0104>
CERN-ACC-SLIDES-2014-0104
Il bosone di Higgs e i nuovi
territori di caccia all'LHC
del CERN
LHC project
Sede di Piacenza
20 Novembre 2014
Lucio Rossi
LHC project
L’inizio: Padova, Gennaio 1610
«… cose mai viste prima»
LHC project
Poi: Manchester 1909-1911
la nuova frontiera: l’atomo
Rutherford (a destra) e Geiger nel laboratorio dell’Università di Manchester
Cento anni dopo…
LHC project
Cosa è la fisica delle particelle elementari?
Perchè abbiamo bisogno di tecnologie di frontiera?
LHC project
Fisica delle particelle: verso
l’infinitamente piccolo …
Why accelerators? To investigate Particle Physics
Accelerators
Microscopes
Binoculars
Optical, radio télescopes
La Fisica dele Particelle osserva la materia nella sua più piccola
dimensione. Gli acceleratori sono finissimi microscopi: atto-scopi!
 = h/p ; @LHC: T = 1 TeV    10-18 m
Gli accelratori sono dei nano-nanoscopi: avremo
gli estremi si toccano !
LHC project
Big Bang
Protone
Atomo
Raggio della Terra
Distanze Terra Sole
Raggio delle galassie
Universo
LHC
Attoscopio
Hubble
WMAP
VLT
ALMA
LHC project
AccelEratorI:
macchine del tempo
•Viaggio indietro nel tempo ts1/E2Gev
•T  1 ps per creazione di particelle singole
•T  1 s per fenomeni collettivi QGS (Quark-Gluon Soup)
In ogni caso poi rimane il compito di spiegare come si arriva
alla complessità che si sviluppa nei 13,7 miliardi di anni che
seguono... Molto più difficile!
Leptons Quarks
La “summa” di 40 anni di ricerche :
il modello standard
LHC project
u c t g
d s b g
e  t W
up
down
charm
top
strange bottom
electron
muon
e-neutrino
-neutrino
gluon
photon
tau
W boson
t-neutrino
Z boson
ne n nt Z
Higgs
Boson?
© Brian Foster
Particelle
e
Forze
Ciascuna
con la sua
antiparticella
Cosa rimane quindi ?
LHC project
Il modello standard è una buonissima descrizione dellÚniverso alla
scala delle particelle che conosciamo
Ma non risponde a molte domande
Perchè tante particelle?
Perchè diversi tipi di forza?
Cosa è la massa?
Perchè le particelle hanno la massa che hanno?
i neutrini soo leggerissimi < 1 meV
elettrone: 511 eV
protone 1 GeV (1 miliardo di eV
quark top : 170 GeV !!!!
alcune particelle-forza (fotone) non hanno massa
altre particelle-forza (Z, W) sono massicci: 80-90 GeV
LHC project
Il contenuto massa –energia
dell’universo
Gli strumenti della HEP
LHC project
1) Concentrate energy on
particles (accelerator)
2) Collide particles (recreate
conditions after Big Bang)
3) Identify created particles in
Detector (search for new clues)
Entrambi richiedono
tecnologie di punta
(superconduttività, e
molte altre)
CERN
LHC project
European Organization for Nuclear Research
Fondato nel 1954, oggi 20 stati membri
Più di 10000 utilizzatori da tutto il mondo
~650M€ di budget annuale
2250 staff permanente
2004: The 20 member states
CERN
LHC project
European Organization for Nuclear Research
2004: The 20 member states
LHC project
La spinta verso l’alta energia
e le dimensioni gigantesche
Bdip 8.3 T
Rdip  3 km
Ldip  15 m  1232
Ltunnel = 27 km
1500 tonnes of top
quality SC cables
1800 Power Converter
from 60 A to 24 kA
15000 MJ of magnetic
energy
1800 HTS Leads
11 kW@1.9 K
LHC project
CERN: la catena di
accelratori
??
H
2004: The 20 member states
LHC: le caratterstiche
LHC project
Il Large Hadron Collider (LHC) sarà il più grande strumento
scientifico del mondo per investigare le proprietà della materia
Quattro caverne
gigantesche ospitano i
grandi rivelatori
Il più grande e più alta
energia di tutti gli
accelratori
Il piu’ grande impianto
di Superconduttori
Funzionerà a una
temperatura più fredda
del freddo intersiderale
Acceleratori & Superconduttori:
magneti e Cavità
LHC project
LHC project
Superconduttività
e Acceleratori
LHC ha una circonferenza di 26.7
km, di cui oltre 24 km di magneti
superconduttori operanti a 8.3 T. Gli
impianti di criogenia consumeranno
circa 40 MW di potenza elettrica
dalla rete.
Se LHC non fosse superconduttivo:
Utilizzando magneti resistivi
operanti a 1.8 T la circonferenza
sarebbe di circa 100 km, e il consumo
elettrico sarebbe di almeno 900 MW
(una centrale nucleare): costi
proibitivi di investimento, di
operazione e ambientali.
The main dipole long theory
LHC project
1232 main dipoles
+ 3700 multipole corrector
magnets
Con contributi da
tutto il mondo
LHC project
LHC project
Il superconduttore
7000 km di cavi Cu/Nb-Ti
Filamenti di
Niobio-Titanio
di 5-7 m
Diametro 1 mm
1000 Ampères
1x15 mm2 – 30.000 A !!!
LHC project
Un progetto di 25 anni
LHC project
LHC project
Le cui origini sono
molto Italiane
Barrel Toroid magnet system
LHC project
LHC project
Hints indicating a possibility
December 2011: 99% probability
21Mar2014
Higgs 2 Z 4 
LRossi@PadovaDi
26
LHC project
The Higgs:
the needle in
a haystack
Z μμ
Z μμ event from 2012 data with 25 reconstructed vertices
4 July 2012 : Boson got!
LHC project
21Mar2014
28
Brout – Englert – Higgs mechanism
2013 Nobel Prize
LHC project
…for the theoretical discovery of a
mechanism that contributes to our
understanding of the origin of mass of
subatomic particles, and which recently
was confirmed through the discovery of
the predicted fundamental particle, by the
ATLAS and CMS experiments at CERN's
Large Hadron Collider
21Mar2014
29
LHC project
… but that’s only the beginning !
LHC project
What’s next ?
Measure the properties of the new particle
with high precision
21Mar2014
LRossi@PadovaDipFisica
32
LHC project
Cosa faremo nei prosimi 15 anni
LHC project
LHC project
.. Poi nei prosismi 30 anni…
80-100 km tunnel in Geneva area: FCC
16 T  100 TeV in 100 km
20 T  100 TeV in 80 km
even better
100 km?
Slide di riserva
LHC project
LHC project
la valorizzazione della
comunicazione:
1989 il WEB
2009 la
celebrazione
Tim Berners-Lee
Robert Cailliau
Il successore del Web: GRID
LHC project
Il LHC computing GRID è un
progetto finanziato dall’UE con
l’obiettivo di construire la
futura generazione di
infrastruttura di calcolo per
fornire una capacità di calcolo
e analisi mai vista.
Ballon
(30 Km)
Pile de CD
contenant une
année de donn
du LHC! (~ 20
Concorde
(15 Km)
Mt. Blanc
(4.8 Km)
Le applicazionI mediche: PET
LHC project
Prima immagine PET CERN, circa 1975
LHC project
Adroterapia Oncologica
CNAO PAVIA & PSI (CH)
Ciclotrone SC
La “grande” applicazionI sanitaria:
Risonanza magnetica
LHC project
LHC project
LHC project
Le applicazionI
Bio-Farmacologiche: NMR
ITER: L’Energia delle stelle
LHC project
Central Solenoid
Cryostat
Toroidal Field Coil
Vacuum Vesse
Blanket
Poloidal Field Coil
Port Plug
Major plasma radius 6.2 m
Plasma Volume: 840 m3
Torus Cryopum
Plasma Current: 15 MA
Typical Density: 1020 m-3
Typical Temperature: 20 keV
Fusion Power: 500 MW
Divertor
Machine mass: 23350 t (cryostat + VV + magnets)
- shielding, divertor and manifolds: 7945 t + 1060 port plugs
- magnet systems: 10150 t; cryostat: 820 t
MAGLEV
LHC project
LHC project
Le applicazioni:
Trasporto energia
Il meccanismo di Higgs
LHC project
Analogia: la luce viene rallentata quando
attraversa un mezzo materiale
Idea 1: le particelle non hanno massa ma
vengono rallentate dall’interazione con
qualcosa.
Idea 2: il vuoto non è il niente. E’ permeato
da un campo (o sostanza) d Higgs
1+2 : la massa delle particelle è l’energia di
interazione (E=mc2) con il campo di Higgs
Higgs : vediamolo!
LHC project
Certo la domanda si è solo spostata
Da: come una particella ha una certa massa
A: come una particella si accopia di piu o
meno col campo di Higgs!
Come vedere il campo di Higgs?
Percuotendolo!, emetterà delle onde. Ma le
onde sono particelle, la particella di Higgs
La particella di Higgs è un bosone (ama la
compagnia a differenza dei fermioni)

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