Fundamental Interactions: Theory and Experiment - Porte Aperte 2022 M.Nardecchia e R.Paramatti Università Sapienza and INFN Roma
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M.Nardecchia e R.Paramatti
Università Sapienza and INFN Roma
Porte Aperte 2022
Fundamental Interactions:
Theory and Experiment
Dipartimento di Fisica -> Ricerca -> Scientific Report
“Fundamental” Physics
What are the basic, elementary building
blocks of matter (no inner structure, no
smaller components)?
PROTON
NEUTRON
What are the forces controlling their
behaviour at the most basic level?
(elementary forces)
Can nature be understood in terms of a few basic
principles, the “theory of everything”?
In Summary
The real thing: the SM in one Table...
SU(3) SU(2) U(1)
Li 1 2 -1/2
eci 1 1 1
G = SU(3)C x SU(2)L x U(1)Y
Qi 3 2 1/6
uci 3* 1 1/3
dci 3* 1 -2/3
...and 3 lines
Y
¯ i i⇥ µ Dµ 1 a aµ
i Fµ F gauge
4
SM =
Lren +|Dµ H|2 V (H) symmetry breaking
+ ij i jH + h.c. flavor
Theory of Fundamental Interactions (A. Urbano)
Phenomenology of the SM (R. Contino & M. Nardecchia)
Strong Interactions and QCD (A. Polosa)Is the SM the whole story? Experimental “problems” of the SM: Gravity Dark matter Baryon asymmetry Experimental hints of physics beyond the SM Neutrino masses Quantum number unification Theoretical puzzles of the SM:
Studying gravity theory @ Sapienza
● “General Relativity” (Prof. Pani, LM 1st yr, 1st semester)
● Basic aspects of di>erential geometry, Einstein’s General Relativity, Black Holes
● Classical and modern applications, including gravitational waves and black-hole shadows
● “GWs, black holes, neutron stars” (Profs. Pani-Pannarale, LM 1st yr, 2nd semester)
● GW emission, phenomenology of detected events
● Physics of neutron stars
● Advanced black-hole physics
● Black hole thermodynamicsGravity & Fundamental Physics Several of the deepest questions in fundamental physics involve gravity: The nature of gravity. Is Einstein (still) right? What building-block principles and symmetries in nature invoked by General Relativity (GR) can be challenged? Are there extra *elds involved in the gravitational interaction? The nature of neutron stars. How does nuclear matter behave in the extreme conditions of the inner core of neutron stars? Does exotic physics show up in these objects? The nature of black holes. How well classical GR BHs describe observations? Do more exotic species of compact stars exist? Signatures of quantum gravity near event horizons? The nature of dark matter. Is dark matter composed of particles, dark objects, or modi*ed gravity? Can we detect or constrain dark matter and the early universe using GWs?
Thesis opportunities and collaborations
Group funded by ERC/PRIN/MUR/MSCA grants
Strong connection with INFN TEONGRAV
Strong involvement in ET and LISA Consortia
Founding members of GravNet [https://web.uniroma1.it/gmunu/gravnet]
On-going collaborations and short-term scienti*c missions:
IST, Lisbon / Copenhagen (Cardoso)
Johns Hopkins (Berti)
Geneve (Riotto) Master and PhD students can work
Pisa (Gualtieri) within the ET/LISA Consortia or
GSSI (Maselli)
within international collaborations,
SISSA (Barausse, Liberati)
Tor Vergata (Bianchi) spending part of their projects
Bicocca (Colpi, Sesana, Giacomazzo, Gerosa) visiting other nodes.
MIT (Vitale)
Nottingham (Sotiriou)
Cambridge (Sperhake)
Urbana (Yunes)“Misurate ciò che è misurabile e
rendete misurabile ciò che non lo è”
Galileo Galilei
Ricerche sulla caduta dei gravi
Pisa 1589-1592Il Large Hadron Collider (LHC): il più potente collisore di protoni
due fasci di protoni che viaggiano
in senso opposto e collidono in
quattro punti lungo l’anello:
= 27km
ferenza
circon
protoni accelerati ad una velocità pari
al 99.999999% di quella della luce
12Two recent
Nobel Prizes in Physics
■ 2013 Nobel in Physics to P. Higgs
and F. Englert after the discovery
of the Higgs Boson by Atlas and
CMS Collaboration.
■ 2017 Nobel in Physics to R. Weiss,
B.C. Barish and Kip S.Thorne after
the first ever detection of gravitational
waves by the LIGO Collaboration.
Several courses of the Fundamental Interactions
curriculum are given by researchers of the Sapienza
Physics Department who are members of the
mentioned experimental collaborations and directly
contributed to these fundamental discoveries. 1315
16
Higgs boson in 4 leptons
■ An excess of events w.r.t. the
Standard Model expectation
which is not compatible with a Use of multivariate analysis, neural
statistical fluctuation. networks and machine learning.
17AI FOR HIGH ENERGY PHYSICS
• reference course: Advanced Machine Learning for Physics
• Activities:
• ultra-fast Deep Neural Networks for real-time systems (triggers, DAQ, …)
• models based on geometrical deep learning in several applications in HEP (exp. and th.): particle identification, particle flow, flavour
tagging, charged particle tracking, generative models, group equivariant GNN, spin networks and topological quantum field theory
• generative deep learning: Variational Models, Normalizing flow, adversarial networks
• quantum machine learning: variational quantum circuits for anomaly detection models and generative models
• applications of DNNs for analysis optimization, unfolding, experiment-theory mapping, …
calorimetri
clusters
transfer knowledge learned by a reconstructed
larger neural network pre-trained with a Graph NN
for the same task to a smaller and
aggressively quantised model14th September 2015: first direct
detection of gravitational wave.
The event GW150914 is
the merging of two black
holes, about 30 solar
masses each, at a
distance of more than
one billion light years.
1920
You will learn how the tools to
answer these questions work…
■ Particle accelerators
■ Particle and heavy ions
detectors
■ Neutrino detectors
■ Neutrino telescopes
■ Cosmic ray experiments
■ Gravitational wave detectors CUORE at Gran Sasso INFN Lab.
Neutrinoless Double Beta Decay
Intense use of advanced statistics tools, multivariate
analysis and machine learning techniques
21INFN Rome/Physics
Department menù
table from the Scientific Report of Department of Physics (link)
22Fundamental Interactions
curriculum in Physics (LM-17)
■ The Fundamental Interactions curriculum of LM-17 is
taught in English.
The aim is twofold:
○ facilitate the entry in the research field
○ allow foreign student attendance
■ Excellent opportunity to complete the master degree
with a thesis project in an international laboratory in
the world.
■ A.A. 2022/23: renovated curriculum: Theory and
Experiment.
23Fundamental Interactions
curriculum in one slide
CFU = number of credits
SSD: Settore Scientifico Disciplinare Three semesters.
■ FIS: Physics course
○ FIS/01: experimental physics
Seven compulsory courses +
○ FIS/02: theoretical physics five optional courses.
○ FIS/03: condensed matter physics
○ FIS/04: nuclear and subnuclear physics
■ MAT: Mathematics course 24Groups A & B
25Istituto Nazionale di Fisica
Nucleare (INFN)
■ INFN is the Italian research agency
dedicated to the study of the fundamental
constituents of matter and their
interactions.
■ The research activities presented here are
mainly founded by INFN.
Research groups include both University
and INFN staff.
■ INFN divisions are located in the Physics
Departments
(web site of Rome division).
■ Availability of master thesis in national/
international laboratories and in
international collaborations.
■ PhD school on Accelerator Physics
26INFN Scolarship
27Few final remarks…
■ More information about ongoing
researches in the Scientific Report of
Department of Physics (link).
Pages 97-159 dedicated to particle and
astroparticle physics.
■ Practical infos about courses:
https://corsidilaurea.uniroma1.it/it/corso/
2022/30055/programmazione
Questions on the FI curriculum:
riccardo.paramatti@uniroma1.it
m.nardecchia@uniroma1.it
28Additional material
How does an interferometer work?
Applied research: medical
application of physics
■ The competences acquired in detector design and construction, in
statistical analysis and the knowledge of particle and nuclear
physics are exploited for several applications, mostly medical.
■ Applied Radiation Physics Group
(Physics and SBAI departments)
is active on:
○ estimation of the dose delivery
in Hadron Therapy
○ development of a novel technique
of Radio-guided Surgery
○ and much more…
31Search of physics beyond
the Standard Model
■ PADME (Positron Annihilation into Dark Matter Experiment) at the
INFN LNF just started the data taking.
■ Search of “dark photon”, a new particle connecting the Standard
Model with the dark matter sector, with the process e+e- →γA’.
■ Darkside and Dama
experiments at the
INFN LNGS
■ Sabre (LNGS and
Australia)
■ MEG experiment at
PSI
■ AMS experiment on
the ISS
■ And many others.
32Neutrinos? Perfect Messenger
p
e+
e-
• electrically neutral ν
• essentially massless
• essentially unabsorbed
• tracks nuclear processes
• reveal the sources of cosmic rays
• … but difficult to detect: how large a detector?Large neutrino telescopes on
Earth
GNN (global neutrino network)
https://www.globalneutrinonetwork.org/Neutrino physics
■ KM3NeT: neutrino telescope of 1 km3 to detect Cherenkov
light from neutrino interaction in the deep sea.
■ Goal: observation of high energy neutrino sources in the
Universe and the determination of the mass hierarchy.
35Il bosone di Higgs
■ Maggiore è l’intensità dell’interazione col campo di Higgs, maggiore
è la massa. Perciò ci sono particelle più pesanti di altre.
■ Ma come facciamo a capire che il meccanismo di Higgs sia
realmente la soluzione esistente in natura e non soltanto una
ipotesi affascinante ?
■ Come ogni campo anche quello
di Higgs lascia una traccia…
una particella associata ad
esso, con proprietà ben
definite, il bosone di Higgs.
■ Ci sono voluti 50 anni per
(produrre) trovare questa
traccia !!
36Il Modello Standard
■ Questa teoria ha
mostrato finora una
impressionante capacità
predittiva
■ Le previsioni teoriche
coincidono con i
risultati sperimentali
ottenuti negli ultimi
decenni con un livello di
precisione molto elevato.
■ E ora ? Cerchiamo di
andare oltre al MS.Il Modello Standard
38Domande fondamentali
(ancora) senza risposta
■ Perché proprio tre repliche di quark e leptoni ? E perché
di masse così diverse ?
■ Perché nell’universo esiste questa forte asimmetria tra
materia e antimateria ?
■ Come è connessa la gravità alle altre tre forze ?
Le forze sono unificate ad
altissime energie ?
■ Che massa hanno i neutrini?
■ Cosa è la materia oscura ?
■ …
39L’inaspettato: la ricerca di
materia oscura
■ Stelle e pianeti
costituiscono solo il 5%
circa del contenuto
dell’universo
■ Gran parte della massa
non è visibile
direttamente, ma solo
attraverso i suoi effetti
gravitazionali
Curva di rotazione della galassia M33
40L’inaspettato: unificazione e
supersimmetria ?
SUSY
■ Le intensità degli accoppiamenti nello SM non
sono compatibili con una grande unificazione
■ La Supersimmetria (SUSY) potrebbe essere un
meccanismo necessario per garantire
l’unificazione delle interazioni
■ Per ogni particella esisterebbe una
corrispondente s-particella
■ SUSY prevede anche particelle candidati di
materia oscura: particelle stabili che
interagiscono pochissimo con la materia 41Ricerche sperimentali in
fisica delle alte energie.
Come cerchiamo fenomeni nuovi e inaspettati ?
Una ricca gamma di attività, dove il Dipartimento di
Fisica della Sapienza e la Sezione di Roma
dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare sono
protagonisti.
■ Esperimenti agli acceleratori di particelle (e.g. al CERN,
ai LNF – INFN)
■ Esperimenti nei laboratori sotterranei (e.g. LNGS - INFN)
■ Esperimenti con raggi cosmici
In molti casi è la natura a fornirci direttamente le particelle
di alta energia da studiare.
42I rivelatori di particelle
Nella fisica sperimentale,
area un rivelatore di
attiva particelle o rivelatore di
radiazione è uno
strumento usato per
rivelare, tracciare e
elettronica di identificare particelle.
lettura (Wikipedia)
rivelatore di
fotoni
I rivelatori di particelle sono strumenti che producono un segnale osservabile
quando vengono colpiti da una particella. Sono solitamente costituiti da un
elemento attivo (con cui interagisce la radiazione) e da un sistema di lettura
(che forma il segnale e lo invia all’acquisizione dati)I rivelatori di particelle Le particelle non possono essere viste direttamente Solo la loro interazione con la materia può essere misurata Questa è convertita in: • fotografie ottiche • segnali in corrente o tensione elettrica
ATLAS e CMS al Large
Hadron Collider del CERN
■ ATLAS e CMS sono i due esperimenti multi-purpose all’acceleratore
LHC.
■ Molti docenti di questo dipartimento hanno avuto un ruolo
importante nella costruzioni di entrambi i rivelatori e nella
preparazione delle analisi che hanno portato alla scoperta del
bosone di Higgs.
■ Run2: collisioni p-p a 13 TeV (2015-2018)
○ Studio delle proprietà dell’Higgs (hot topic: ttH)
○ Ricerca di particelle supersimmetriche
○ Ricerca di materia oscura
○ Ricerca di particelle previste da modelli di extra-dimensions
○ Ricerca di...
■ Run3 a partire dal 2021 e poi fase 2 di LHC (dal 2026)
45Ricerca di fisica oltre il
Modello Standard
Alcune teorie prevedono l’esistenza di nuove Si possono manifestare come
dimensioni spaziali, non accessibili nella picchi o eccessi nella parte ad
nostra esperienza perché “compattificate” alta energia delle distribuzioni.
con raggi di curvatura molto piccoli.
O anche come energia mancante
nel rivelatore (SUSY).
46Ricerca di fisica oltre il
Modello Standard
Se le particelle Supersimmetriche decadono in particelle stabili che
non interagiscono con la materia (candidati materia oscura) nel
rivelatore deve mancare energia.
LHC non ha trovato finora particelle SUSY: potrebbero essere più
pesanti di quanto si pensasse. 47ALICE e la fisica degli ioni
pesanti
■ Ad LHC si studiano anche collisioni tra ioni pesanti (p-
Pb, Pb-Pb, Xe-Xe, …)
■ ALICE è un rivelatore
dedicato allo studio delle
interazioni forti e del
quark-gluon plasma
nelle collisioni tra ioni.
48CRYSBEAM
■ Crystal channeling per estrarre fasci di adroni di alta
energia da un acceleratore; studio di fattibilità di un
fixed target experiment, studio di sciami adronici.
■ Cristalli di silicio “incurvati” riescono ad intrappolare e
deflettere protoni e ioni di LHC.
○
49KLOE-2 ai LNF - INFN
■ KLOE-2 è un esperimento che ha appena terminato la
fase di presa dati all’acceleratore DAΦNE di Frascati (Φ
factory: collisioni elettrone-positrone a ~1 GeV nel
centro di massa).
■ Studio della fisica dei mesoni K
e della violazione delle
simmetrie discrete (CP e CPT).
■ Studio della fisica degli
adroni leggeri.
■ Ricerca di materia oscura
50PADME ai LNF - INFN
■ L’esperimento PADME (Positron Annihilation into Dark
Matter Experiment) è finalizzato allo studio della
reazione e+e- →γA’ con fasci di positroni su un
bersaglio sottile di diamante.
■ A’ è il “dark photon”, nuova particella mediatore tra il
Modello Standard e la materia oscura.
51CUORE ai LNGS - INFN
■ CUORE: Cryogenic Underground Observatory for Rare Events
■ L’esperimento CUORE vuole dare una risposta alla domanda
fondamentale: i neutrini sono particelle di Dirac (hanno
antiparticelle distinte) o di Majorana (coincidono con la
propria antiparticella) ?
■ Ricerca del NDBD:
decadimento doppio
beta senza neutrini.
■ T < 10 milliKelvin !!
■ In presa dati dal 2017.
52KM3NeT per neutrini
■ Goal: osservazione delle sorgenti astrofisiche di
neutrini di altissima energia e misura della massa dei
neutrini.
Una rete di telescopi per
neutrini in costruzione
nel mar Mediterraneo che
rivela luce Cherenkov
prodotta dall’interazione
dei neutrini nel mare
profondo.
53Virgo Group
Staff: Frasca, Leaci, Pannarale, Rapagnani, Ricci; INFN: Astone, Naticchioni,
Majorana, Palomba, Puppo, 3 postdoc, 3 PhD students + master students
✓ Virgo members and also members of the LIGO-Virgo Scientific Collaboration
✓ Key responsibilities: 1) Continuous gravitational waves sources; 2) Virgo suspensions; 3)
GW in coincidence with γ-ray bursts; 4) multimessenger search with core-collapse
supernovae.
Astrophys.J. 848 (2017) no.2, L13
95% upper limits on h0 for the main three pipelines in use to
search for continuous gravitational waves.
Phys.Rev. D100 (2019) no.2, 024004Ricadute tecnologiche e
applicazioni di fisica medica
Alcuni “effetti collaterali” della ricerca di base in fisica delle
particelle:
■ Adroterapia oncologia:
curare i tumori con
acceleratori di protoni e ioni
(CNAO a Pavia)
■ Positron emission tomography
(PET) è un’applicazione
medica dell’antimateria
■ Il World-Wide Web è nato al
CERN quasi 30 anni fa…
55Applied Radiation Physics
Group (ARPG)
■ L’ARPG è un gruppo di ricerca composto da fisici delle alte
energie e da bio-ingegneri creato nel 2011 che trasferiscono le
proprie competenze nella costruzione dei rivelatori e nell’analisi
dei dati in applicazioni di fisica medica.
Dipartimento di Fisica e di Scienze di Base
Applicate per l’Ingegneria (SBAI) della Sapienza.
■ Particle Therapy: misura delle sezioni
d’urto per trattamento dei tumori
con fasci di particelle.
■ Costruzione di rivelatori per la
chirurgia radioguidata.
■ Programmi di simulazioni veloci
con GPU per i piani di trattamento.
■ Analisi multivariate nella diagnostica per immagini
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