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sabato 1 ottobre 2011

Tevatron: sempre al top!

Ieri si è celebrato l'ultimo giorno di lavoro del Tevatron, l'acceleratore di particelle statunitense che ha fatto concorrenza agli acceleratori europei del Cern, compreso l'LHC. Il Tevatron iniziò a prendere i primi dati di fisica nel 1985, nella notte del 13 ottobre e da allora ha mietuto non pochi successi, che vengono efficacemente riassunti da Tommaso su Quantum Diaries. In particolare il primo risultato dell'acceleratore è anche una delle tantissime conferme del modello standard che abbiamo avuto negli ultimi 30 anni: la scoperta del quark top.
Il modello standard delle particelle elementari prevede l'esistenza di 6 tipi differenti di quark, che combinati tra loro costituiscono la così detta materia barionica (particelle pesanti come protoni e neutroni, e particelle intermedie come i mesoni). Questi costituenti ultimi della materia vennero introdotti in quello che all'inizio veniva identificato genericamente come modello a partoni, sviluppato indipendentemente uno dall'altro da Murray Gell-Mann(1) e George Zweig(2, 3) nel 1964. All'inizio la teoria prevedeva l'esistenza di tre soli quark (up, down, strange), ma lavori successivi di altri fisici teorici consentirono di completare l'impianto teorico con altri tre quark. In particolare nel 1972 Makoto Kobayashi e Toshihide Maskawa(6) supposero l'esistenza di un nuovo quark, il top, in un articolo con il quale introducevano la violazione della simmetria CP all'interno dell'interazione debole, scoperta da Weinberg tra il 1967(4) e nel 1971(5). In particolare scrissero la parte adronica della lagrangiana in quattro termini: cinetico, massivo, forte e $L'$. Seguendo il meccanismo di Higgs(9), i due teorici supposero che la violazione di CP potesse trovarsi nel termine massivo, a causa del meccanismo di rottura spontanea della simmetria di gauge.
I loro calcoli sono calcoli di teoria dei gruppi: possiamo infatti immaginare il gruppo che Kobayashi e Maskaea hanno usato come uno spazio generato (o costituito) a sua volta da due spazi 4-dimensionali (ciascuno di questi spazi è il gruppo $SU (4)$). Essi descrissero tre possibili partizioni per ciascuno dei due spazi vettoriali(10):
  1. due sottospazi bidimensionali;
  2. uno spazio bidimensionale e due monodimensionali;
  3. 4 spazi monodimensionali.
I due si limitarono solo a quelle combinazioni che avevano un qualche senso fisico e scoprirono che, come conseguenza della rottura della simmetria, bisognava introdurre nella teoria un nuovo partone, quel quark top che sarebbe stato scoperto proprio al Tevatron nel 1995:

(dall'articolo di D0)

(dall'articolo di CDF)
I due grafici sono estratti dagli articoli dei due esperimenti che rilevarono il top. Dall'articolo di D0 ho estratto il grafico che confronta i due esperimenti uno con l'altro e quindi con la teoria, mentre dall'articolo di CDF il grafico che ricostruisce la massa del top e ne da anche una prima misura (il riquadro in alto a destra nel secondo grafico).
Dopo questa velocissima storia del top, vi lascio con un video realizzato da Maria Scileppi in collaborazione con Rob Snihur, ricercatore del Tevatron:

(1) M. Gell-Mann (1964). A Schematic Model of Baryons and Mesons. Physics Letters 8 (3): 214–215. doi:10.1016/S0031-9163(64)92001-3
(2) G. Zweig (1964). An SU(3) Model for Strong Interaction Symmetry and its Breaking (pdf). CERN Report No.8182/TH.401.
(3) G. Zweig (1964). An SU(3) Model for Strong Interaction Symmetry and its Breaking: II (pdf). CERN Report No.8419/TH.412.
(4) S. Weinberg (1967). A model of leptons. Phys. Rev. Lett. 19, 1264–1266. doi:10.1103/PhysRevLett.19.1264
(5) S. Weinberg (1971). Physical Processes in a Convergent Theory of the Weak and Electromagnetic Interactions. Phys. Rev. Lett. 27, 1688–1691. doi:10.1103/PhysRevLett.27.1688
(6) Kobayashi, M., & Maskawa, T. (1973). CP-Violation in the Renormalizable Theory of Weak Interaction Progress of Theoretical Physics, 49 (2), 652-657 DOI: 10.1143/PTP.49.652
(7) Abachi, S., Abbott, B., Abolins, M., Acharya, B., Adam, I., Adams, D., Adams, M., Ahn, S., Aihara, H., Álvarez, G., Alves, G., Amidi, E., Amos, N., Anderson, E., Aronson, S., Astur, R., Avery, R., Baden, A., Balamurali, V., Balderston, J., Baldin, B., Bantly, J., Bartlett, J., Bazizi, K., Behnke, T., Bendich, J., Beri, S., Bertram, I., Bezzubov, V., Bhat, P., Bhatnagar, V., Bhattacharjee, M., Bischoff, A., Biswas, N., Blazey, G., Blessing, S., Boehnlein, A., Bojko, N., Borcherding, F., Borders, J., Boswell, C., Brandt, A., Brock, R., Bross, A., Buchholz, D., Burtovoi, V., Butler, J., Callot, O., Casey, D., Castilla-Valdez, H., Chakraborty, D., Chang, S., Chekulaev, S., Chen, L., Chen, W., Chevalier, L., Chopra, S., Choudhary, B., Christenson, J., Chung, M., Claes, D., Clark, A., Cobau, W., Cochran, J., Cooper, W., Cretsinger, C., Cullen-Vidal, D., Cummings, M., Cussonneau, J., Cutts, D., Dahl, O., De, K., Demarteau, M., Demina, R., Denisenko, K., Denisenko, N., Denisov, D., Denisov, S., Dharmaratna, W., Diehl, H., Diesburg, M., Dixon, R., Draper, P., Drinkard, J., Ducros, Y., Durston-Johnson, S., Eartly, D., Edmunds, D., Efimov, A., Ellison, J., Elvira, V., Engelmann, R., Eno, S., Eppley, G., Ermolov, P., Eroshin, O., Evdokimov, V., Fahey, S., Fahland, T., Fatyga, M., Fatyga, M., Featherly, J., Feher, S., Fein, D., Ferbel, T., Finocchiaro, G., Fisk, H., Fisyak, Y., Flattum, E., Forden, G., Fortner, M., Frame, K., Franzini, P., Fredriksen, S., Fuess, S., Gallas, E., Gao, C., Geld, T., Genik II, R., Genser, K., Gerber, C., Gibbard, B., Glebov, V., Glenn, S., Glicenstein, J., Gobbi, B., Goforth, M., Goldschmidt, A., Gomez, B., Good, M., Gordon, H., Graf, N., Grannis, P., Green, D., Green, J., Greenlee, H., Grossman, N., Grudberg, P., Grünendahl, S., Guida, J., Guida, J., Guryn, W., Hadley, N., Haggerty, H., Hagopian, S., Hagopian, V., Hahn, K., Hall, R., Hansen, S., Hauptman, J., Hedin, D., Heinson, A., Heintz, U., Heuring, T., Hirosky, R., Hobbs, J., Hoeneisen, B., Hoftun, J., Hu, T., Hu, T., Hubbard, J., Huehn, T., Igarashi, S., Ito, A., James, E., Jaques, J., Jerger, S., Jiang, J., Joffe-Minor, T., Johari, H., Johns, K., Johnson, M., Johnstad, H., Jonckheere, A., Jones, M., Jöstlein, H., Jun, S., Jung, C., Kahn, S., Kang, J., Kehoe, R., Kelly, M., Kernan, A., Kerth, L., Kim, C., Klatchko, A., Klima, B., Klochkov, B., Klopfenstein, C., Klyukhin, V., Kochetkov, V., Kohli, J., Koltick, D., Kotcher, J., Kourlas, J., Kozelov, A., Kozlovski, E., Krishnaswamy, M., Krzywdzinski, S., Kunori, S., Lami, S., Landsberg, G., Lanou, R., Lebrat, J., Lee-Franzini, J., Leflat, A., Li, H., Li, J., Li, R., Li, Y., Li-Demarteau, Q., Lima, J., Linn, S., Linnemann, J., Lipton, R., Liu, Y., Lobkowicz, F., Loch, P., Loken, S., Lökös, S., Lueking, L., Lyon, A., Maciel, A., Madaras, R., Madden, R., Mangeot, P., Mani, S., Manning, I., Mansoulié, B., Mao, H., Margulies, S., Markeloff, R., Markosky, L., Marshall, T., Martin, M., Marx, M., May, B., Mayorov, A., McCarthy, R., McKibben, T., McKinley, J., Melanson, H., de Mello Neto, J., Meng, X., Merritt, K., Miettinen, H., Milder, A., Milner, C., Mincer, A., de Miranda, J., Mishra, C., Mokhov, N., Mondal, N., Montgomery, H., Mooney, P., Mudan, M., Murphy, C., Murphy, C., Nang, F., Narain, M., Narasimham, V., Neal, H., Negret, J., Nemethy, P., Nešić, D., Norman, D., Oesch, L., Oguri, V., Oltman, E., Oshima, N., Owen, D., Padley, P., Pang, M., Para, A., Park, C., Partridge, R., Paterno, M., Peryshkin, A., Peters, M., Pi, B., Piekarz, H., Pizzuto, D., Pluquet, A., Podstavkov, V., Pope, B., Prosper, H., Protopopescu, S., Pušeljić, D., Qian, J., Que, Y., Quintas, P., Rahal-Callot, G., Raja, R., Rajagopalan, S., Ramirez, O., Rao, M., Rasmussen, L., Read, A., Reucroft, S., Rijssenbeek, M., Roe, N., Roldan, J., Rubinov, P., Ruchti, R., Rusin, S., Rutherfoord, J., Santoro, A., Sawyer, L., Schamberger, R., Schellman, H., Schmid, D., Sculli, J., Shabalina, E., Shaffer, C., Shankar, H., Shao, Y., Shivpuri, R., Shupe, M., Singh, J., Sirotenko, V., Skeens, J., Smart, W., Smith, A., Smith, R., Snihur, R., Snow, G., Snyder, S., Solomon, J., Sood, P., Sosebee, M., Souza, M., Spadafora, A., Stephens, R., Stevenson, M., Stewart, D., Stocker, F., Stoianova, D., Stoker, D., Streets, K., Strovink, M., Taketani, A., Tamburello, P., Tartaglia, M., Taylor, T., Teiger, J., Thompson, J., Trippe, T., Tuts, P., Varnes, E., Virador, P., Volkov, A., Vorobiev, A., Wahl, H., Wang, D., Wang, L., Warchol, J., Wayne, M., Weerts, H., Wenzel, W., White, A., White, J., Wightman, J., Wilcox, J., Willis, S., Wimpenny, S., Wolf, Z., Womersley, J., Won, E., Wood, D., Xia, Y., Xiao, D., Xie, R., Xu, H., Yamada, R., Yamin, P., Yanagisawa, C., Yang, J., Yang, M., Yasuda, T., Yoshikawa, C., Youssef, S., Yu, J., Zeitnitz, C., Zhang, D., Zhang, Y., Zhang, Z., Zhou, Y., Zhu, Q., Zhu, Y., Zieminska, D., Zieminski, A., Zinchenko, A., Zylberstejn, A., & , . (1995). Search for High Mass Top Quark Production in $p \bar{p}$ Collisions at $s = 1.8 TeV$ Physical Review Letters, 74 (13), 2422-2426 DOI: 10.1103/PhysRevLett.74.2422 (pdf)
(8) Abe, F., Akimoto, H., Akopian, A., Albrow, M., Amendolia, S., Amidei, D., Antos, J., Anway-Wiese, C., Aota, S., Apollinari, G., Asakawa, T., Ashmanskas, W., Atac, M., Auchincloss, P., Azfar, F., Azzi-Bacchetta, P., Bacchetta, N., Badgett, W., Bagdasarov, S., Bailey, M., Bao, J., de Barbaro, P., Barbaro-Galtieri, A., Barnes, V., Barnett, B., Bartalini, P., Bauer, G., Baumann, T., Bedeschi, F., Behrends, S., Belforte, S., Bellettini, G., Bellinger, J., Benjamin, D., Benlloch, J., Bensinger, J., Benton, D., Beretvas, A., Berge, J., Bertolucci, S., Bhatti, A., Biery, K., Binkley, M., Bisello, D., Blair, R., Blocker, C., Bodek, A., Bokhari, W., Bolognesi, V., Bortoletto, D., Boudreau, J., Brandenburg, G., Breccia, L., Bromberg, C., Buckley-Geer, E., Budd, H., Burkett, K., Busetto, G., Byon-Wagner, A., Byrum, K., Cammerata, J., Campagnari, C., Campbell, M., Caner, A., Carithers, W., Carlsmith, D., Castro, A., Cauz, G., Cen, Y., Cervelli, F., Chao, H., Chapman, J., Cheng, M., Chiarelli, G., Chikamatsu, T., Chiou, C., Christofek, L., Cihangir, S., Clark, A., Cobal, M., Contreras, M., Conway, J., Cooper, J., Cordelli, M., Couyoumtzelis, C., Crane, D., Cronin-Hennessy, D., Culbertson, R., Cunningham, J., Daniels, T., DeJongh, F., Delchamps, S., Dell'Agnello, S., Dell'Orso, M., Demortier, L., Denby, B., Deninno, M., Derwent, P., Devlin, T., Dickson, M., Dittmann, J., Donati, S., Drucker, R., Dunn, A., Eddy, N., Einsweiler, K., Elias, J., Ely, R., Engels, Jr., E., Errede, D., Errede, S., Fan, Q., Fiori, I., Flaugher, B., Foster, G., Franklin, M., Frautschi, M., Freeman, J., Friedman, J., Frisch, H., Fuess, T., Fukui, Y., Funaki, S., Gagliardi, G., Galeotti, S., Gallinaro, M., Garcia-Sciveres, M., Garfinkel, A., Gay, C., Geer, S., Gerdes, D., Giannetti, P., Giokaris, N., Giromini, P., Gladney, L., Glenzinski, D., Gold, M., Gonzalez, J., Gordon, A., Goshaw, A., Goulianos, K., Grassmann, H., Groer, L., Grosso-Pilcher, C., Guillian, G., Guo, R., Haber, C., Hahn, S., Hamilton, R., Handler, R., Hans, R., Hara, K., Harral, B., Harris, R., Hauger, S., Hauser, J., Hawk, C., Hayashi, E., Heinrich, J., Hohlmann, M., Holck, C., Hollebeek, R., Holloway, L., Hölscher, A., Hong, S., Houk, G., Hu, P., Huffman, B., Hughes, R., Huston, J., Huth, J., Hylen, J., Ikeda, H., Incagli, M., Incandela, J., Iwai, J., Iwata, Y., Jensen, H., Joshi, U., Kadel, R., Kajfasz, E., Kamon, T., Kaneko, T., Karr, K., Kasha, H., Kato, Y., Keeble, L., Kelley, K., Kennedy, R., Kephart, R., Kesten, P., Kestenbaum, D., Keup, R., Keutelian, H., Keyvan, F., Kim, B., Kim, D., Kim, H., Kim, S., Kim, S., Kim, Y., Kirsch, L., Koehn, P., Kondo, K., Konigsberg, J., Kopp, S., Kordas, K., Koska, W., Kovacs, E., Kowald, W., Krasberg, M., Kroll, J., Kruse, M., Kuwabara, T., Kuhlmann, S., Kuns, E., Laasanen, A., Labanca, N., Lammel, S., Lamoureux, J., LeCompte, T., Leone, S., Lewis, J., Limon, P., Lindgren, M., Liss, T., Lockyer, N., Long, O., Loomis, C., Loreti, M., Lu, J., Lucchesi, D., Lukens, P., Lusin, S., Lys, J., Maeshima, K., Maghakian, A., Maksimovic, P., Mangano, M., Mansour, J., Mariotti, M., Marriner, J., Martin, A., Matthews, J., Mattingly, R., McIntyre, P., Melese, P., Menzione, A., Meschi, E., Metzler, S., Miao, C., Michail, G., Mikamo, S., Miller, R., Minato, H., Miscetti, S., Mishina, M., Mitsushio, H., Miyamoto, T., Miyashita, S., Morita, Y., Mueller, J., Mukherjee, A., Muller, T., Murat, P., Nakada, H., Nakano, I., Nelson, C., Neuberger, D., Newman-Holmes, C., Ninomiya, M., Nodulman, L., Ogawa, S., Oh, S., Ohl, K., Ohmoto, T., Ohsugi, T., Oishi, R., Okabe, M., Okusawa, T., Oliver, R., Olsen, J., Pagliarone, C., Paoletti, R., Papadimitriou, V., Pappas, S., Park, S., Patrick, J., Pauletta, G., Paulini, M., Pescara, L., Peters, M., Phillips, T., Piacentino, G., Pillai, M., Pitts, K., Plunkett, R., Pondrom, L., Proudfoot, J., Ptohos, F., Punzi, G., Ragan, K., Ribon, A., Rimondi, F., Ristori, L., Robertson, W., Rodrigo, T., Romano, J., Rosenson, L., Roser, R., Sakumoto, W., Saltzberg, D., Sansoni, A., Santi, L., Sato, H., Scarpine, V., Schlabach, P., Schmidt, E., Schmidt, M., Sciacca, G., Scribano, A., Segler, S., Seidel, S., Seiya, Y., Sganos, G., Sgolacchia, A., Shapiro, M., Shaw, N., Shen, Q., Shepard, P., Shimojima, M., Shochet, M., Siegrist, J., Sill, A., Sinervo, P., Singh, P., Skarha, J., Sliwa, K., Smith, D., Snider, F., Song, T., Spalding, J., Sphicas, P., Spiegel, L., Spies, A., Stanco, L., Steele, J., Stefanini, A., Strahl, K., Strait, J., Stuart, D., Sullivan, G., Soumarokov, A., Sumorok, K., Suzuki, J., Takada, T., Takahashi, T., Takano, T., Takikawa, K., Tamura, N., Tartarelli, F., Taylor, W., Teng, P., Teramoto, Y., Tether, S., Theriot, D., Thomas, T., Thun, R., Timko, M., Tipton, P., Titov, A., Tkaczyk, S., Toback, D., Tollefson, K., Tollestrup, A., Tonnison, J., de Troconiz, J., Truitt, S., Tseng, J., Turini, N., Uchida, T., Uemura, N., Ukegawa, F., Unal, G., van den Brink, S., Vejcik III, S., Velev, G., Vidal, R., Vondracek, M., Vucinic, D., Wagner, R., Wagner, R., Wahl, J., Walker, R., Wang, C., Wang, C., Wang, G., Wang, J., Wang, M., Wang, Q., Warburton, A., Watts, G., Watts, T., Webb, R., Wei, C., Wendt, C., Wenzel, H., Wester III, W., Wicklund, A., Wicklund, E., Wilkinson, R., Williams, H., Wilson, P., Winer, B., Wolinski, D., Wolinski, J., Wu, X., Wyss, J., Yagil, A., Yao, W., Yasuoka, K., Ye, Y., Yeh, G., Yeh, P., Yin, M., Yoh, J., Yosef, C., Yoshida, T., Yovanovitch, D., Yu, I., Yun, J., Zanetti, A., Zetti, F., Zhang, L., Zhang, W., Zucchelli, S., & , . (1995). Observation of Top Quark Production in $\bar{p} p$ Collisions with the Collider Detector at Fermilab Physical Review Letters, 74 (14), 2626-2631 DOI: 10.1103/PhysRevLett.74.2626 (arXiv)
(9) Ho sinteticamente descritto il meccanismo di Higgs in Accerchiando il bosone di Higgs.
(10) Vorrei far notare un concetto importante: non necessariamente ciascun sottospazio che viene indicato come 4-dimensionale, bidimensionale o monodimensionale sia in effetti uno spazio con quella dimensione. La dimensione dipende in generale dal numero di generatori che mi servono per creare quello stesso spazio, indipendentemente dalla dimensione di ciascun generatore. Ad esempio il vettore che genera una retta può avere due, tre, quattro o n componenti ma la retta come spazio resta monodimensionale.

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