FISICA DELLE PARTICELLE ELEMENTARI CON ACCELERATORI

STUDIO DELLE INTERAZIONI ELETTRONE-POSITRONE PRESSO L'ANELLO DI ACCUMULAZIONE LEP DEL CERN (ESPERIMENTO L3)

A. Aloisio, M.G. Alviggi, E. Brambilla*, G.P. Carlino*, G. Chiefari, R. De Asmundis*, E. Drago, V. Innocente*, S. Lanzano, L. Lista*, L. Merola, M. Napolitano, P. Paolucci*, S. Patricelli, D. Piccolo*, C. Sciacca

Attività 1992-93

L'attivitÈ del gruppo di Napoli che partecipa all'esperimento L3 al LEP (Large Electron Positron Collider) del CERN (in collaborazione con Firenze, Perugia, Roma, Milano e con numerose istituzioni europee ed extraeuropee) si É viluppata, durante l'ultimo anno, su varie linee nelle quali il contributo del gruppo É risultato importante e significativo.

L3 É uno dei quattro esperimenti LEP ed ha come obbiettivo fondamentale lo studio delle interazioni elettrone-positrone ad un'energia nel centro di massa intorno al picco di formazione della risonanza (circa 91 GeV), il bosone vettoriale intermedio neutro delle interazioni elettrodeboli. L'apparato sperimentale É stato ottimizzato per identificare e misurare con precisione gli impulsi di muoni, elettroni e fotoni e misurare accuratamente il flusso di energia adronica. L3 pertanto É particolarmente indicato per misure precise di sezioni d'urto e per lo studio di eventi con leptoni nello stato finale.

Nella seconda fase di LEP, quando l'energia nel centro di massa potrÈ raggiungere i 100+100 GeV, si potrÈ studiare la reazione e+e- -> W+W-. Il gruppo di Napoli ha partecipato alla realizzazione dello spettrometro per muoni a grande angolo; quest'ultimo É suddiviso in ottanti, ciascuno diviso in due parti lungo il fascio, per un totale di 16 telescopi composti ciascuno da 3 piani di camere a drift multifilo di elevata precisione (risoluzione di circa 200 óm sul singolo filo) e di grandi dimensioni (2m × 5.6m) destinate a misurare con precisione l'impulso dei muoni emessi ad un angolo compreso tra 44³ e 136³ rispetto alla direzione dei fasci e da 4 camere bipiano con fili perpendicolari al fascio, destinate alla misura della coordinata lungo il fascio.

Il gruppo di Napoli ha avuto la responsabilitÈ della costruzione delle 16 camere a drift piË interne e della progettazione, realizzazione e tests dell'elettronica per le camere per la misura della coordinata dei muoni lungo il fascio, per un totale di 8500 canali di acquisizione.

Durante il 1992 l'esperimento L3 ha raccolto circa 800.000 decadimenti adronici e leptonici della che hanno permesso di effettuare verifiche di precisione della teoria elettrodebole, inclusa la misura delle costanti di accoppiamento assiali e vettoriali della corrente neutra ga e gv per elettroni, muoni e tau, ed una misura precisa del numero di specie di neutrini leggeri nell'universo. £ stata misurata la costante di accoppiamento forte alpha_s per il quark pesante b e per i quarks leggeri, la vita media del b e del tau, ed il mixing B°-B°¯.

I test di precisione della teoria elettrodebole hanno permesso di porre limiti stringenti sulla massa del quark top e del bosone scalare di Higgs (mH < 57.7 GeV al 95% C.L.) che É tuttora l'elemento chiave mancante del Modello Standard. È stata anche effettuata la ricerca di nuove particelle, previste in modelli oltre il Modello Standard, quali Higgs carichi o neutri, stati eccitati di leptoni e quarks, neutrini pesanti, particelle supersimmetriche e bosoni di gauge pesanti Z'. Non É stata riscontrata chiara evidenza di nuove particelle, sebbene siano stati visti eventi rari contenenti solo leptoni e fotoni nello stato finale, difficilmente spiegabili sulla base dei decadimenti della previsti nell'ambito del Modello Standard e della QED in particolare.

Tra gli argomenti di fisica menzionati il gruppo di Napoli si É occupato direttamente di quelli in cui É presente almeno un muone nello stato finale. In particolare un grosso impegno É stato profuso, come negli scorsi anni, nelle attivitÈ di analisi fisica del decadimento Z° -> µ+ µ- (gamma) e del decadimento Z° ->bb¯ con i quark b - uno o entrambi - che decadono semileptonicamente e nella ricerca del bosone di Higgs nel canale Z° -> H°Z°* in cui la virtuale decade successivamente in due muoni. Ha svolto inoltre un ruolo di primo piano nello sviluppo e nel mantenimento del software off-line ufficiale dell'esperimento ed ha partecipato alla produzione in sede di eventi Montecarlo tramite una propria Farm di calcolatori ad alte prestazioni Apollo ed HP: sono stati simulati attraverso l'apparato sperimentale 400.000 eventi adronici pari a circa il 15% del totale prodotto dai centri fuori CERN (che costituisce circa il 40% del totale complessivo). I dati simulati sono stati resi disponibili alla Collaborazione per gli studi comparativi con i dati reali.

In vista della partenza della sperimentazione a LEP200 con fasci di energia sufficiente a produrre coppie W+ W-, prevista per il 1995, la Collaborazione L3 ha avviato la preparazione di alcuni miglioramenti da apportare all'apparato sperimentale. Di particolare interesse per il gruppo di Napoli É l'estensione della copertura angolare dello spettrometro per muoni fino a circa 24³ in angolo polare. L'importanza di questa estensione per i programmi di fisica É grande poichÅ, a causa delle proprietÈ di elicitÈ delle W, molti dei processi di interesse per la misura dell'accoppiamento tra i tre bosoni vettori della teoria elettrodebole hanno stati finali con muoni a piccolo angolo. Anche l'accettanza angolare per l'osservazione del bosone di Higgs in un canale con produzione di muoni viene praticamente raddoppiata.

Il gruppo ha portato avanti nello scorso anno lo studio in sede di prototipi di nuovi rivelatori (RPC - Resistive Plate Counters) che consentono di avere a basso costo ottime risoluzioni temporali (2 ns) su grandi superfici ed ha proposto alla Collaborazione l'istallazione di 4 piani (600 m²) di tali rivelatori nell'upgrade dello spettrometro per avere una misura precisa di tempo necessaria per rigettare i muoni della radiazione cosmica e permettere un trigger veloce.

Nel corso del 1992 e nella prima metÈ del 1993 il gruppo di Napoli É stato impegnato nel definire il sistema di trigger per le camere per muoni in avanti realizzato utilizzando gli RPC. ResponsabilitÈ di Napoli É la costruzione dei circa 200 RPC a 2 gap necessari per il trigger nonchÅ dell'elettronica di front-end e dell'elettronica per il sistema di trigger. Il progetto É concluso e due prototipi di RPC sono stati realizzati e testati nel corso del run di LEP agganciati al magnete di L3 in posizione molto prossima a quella in cui verrano effettivamente installati nel corso del 1993 e nei primi del 1994. Sono stati realizzati inoltre i prototipi dell'elettronica di front-end che sono stati testati con ottimi risultati e si É avviata la fase di produzione massiccia.

Infine la Collaborazione L3 si É impegnata a studiare la possibilitÈ di modificare il rivelatore esistente, conservandone le strutture piË grandi (magnete e spettrometro per muoni), al fine di utilizzarlo anche per lo studio delle interazioni protone- protone ad un'energia di 8+8 TeV del nuovo acceleratore LHC (Large Hadron Collider) in progetto al CERN e la cui entrata in funzione É prevista per il 2000. Alcuni ricercatori del gruppo di Napoli hanno partecipato attivamente ai gruppi di studio che hanno preparato la proposta (L3P) di utilizzazione dell'apparato L3 a LHC.

Programma 1994

L'attivitÈ per il 1994 seguirÈ le linee giÈ portate avanti nel corso del 1992-93. La presa dati al LEP, a 91 GeV nel centro di massa, andrÈ ancora avanti nel periodo aprile-novembre e consentirÈ di migliorare ulteriormente l'errore statistico delle misure giÈ effettuate ed i limiti sulla ricerca di nuove particelle. Per quanto riguarda Napoli verrÈ continuata la costruzione massiccia degli RPC, che saranno anche testati ed istallati sull'apparato. Si proseguirÈ inoltre nella produzione e nell'istallazione della relativa elettronica di front-end e di trigger. ContinuerÈ infine l'attivitÈ di analisi dei dati sia in sede sia al CERN e la produzione di eventi Montecarlo a Napoli.

Pubblicazioni

  1. L3 collaboration, A direct determination of the number of light neutrino families from e+e- -> nu nu¯ gamma at LEP , Physics Letters - 275B (1992) 209 .
  2. The LEP collaborations: ALEPH,DELPHI,L3 and OPAL, Electroweak parameters of the resonance and the standard model, Physics Letters - 276B (1992) 247.
  3. L3 collaboration, Search for the neutral Higgs boson at LEP, Physics Letters - 283B (1992) 454.
  4. L3 collaboration, Determination of as from hadronic event shapes measured on the resonance, Physics Letters - 284B (1992) 471.
  5. QCD models at the resonance, Z. Phys. C - Particles and Fields - 55 (1992) 39.
  6. L3 collaboration, Measurement of inclusive eta production in hadronic decays of the , Physics Letters - 286B (1992) 403.
  7. L3 collaboration, An improved measurement of B°-B°¯ mixing in decays, Physics Letters - 288B (1992) 395.
  8. L3 collaboration, A test of quantum electrodynamics in the reaction e+e- -> gg (g), Physics Letters - 288B (1992) 404.
  9. L3 collaboration, Inclusive J production in decays, Physics Letters - 288B (1992) 412.
  10. L3 collaboration, Measurement of the e+e- -> bb¯ and e+e- -> cc¯ forward-backward asymmetries at the resonance, Physics Letters - 292B (1992) 454.
  11. L3 collaboration, Determination of the number of light neutrino species, Physics Letters - 292B (1992) 463.
  12. L3 collaboration, Isolated hard photon emission in hadronic decays, Physics Letters - 292B (1992) 472.
  13. L3 collaboration, Searches for non-minimal Higgs boson in decays, Physics Letters - 294B (1992) 457.
  14. L3 collaboration, A measurement of t polarization in decays, Physics Letters - 294B (1992) 466.
  15. L3 collaboration, High mass photon pairs in l+l-gg events at LEP, Physics Letters - 295B (1992) 337.
  16. L3 collaboration, Search for isosinglet neutral heavy leptons in decays, Physics Letters - 295B (1992) 371.
  17. L3 collaboration, Search for anomalous production of single-photon events in e+e- annihilations at the Z resonance, Physics Letters - 297B (1992) 469.
  18. The Muon Group of the L3 collaboration, A high resolution muon detector, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A323 (1992) 109.
  19. L3 collaboration, Determination of quark electroweak couplings from direct photon production in hadronic Z decays, Physics Letters - 301B (1993) 136.
  20. L3 collaboration, A search for the neutral Higgs boson at LEP, Physics Letters - 303B (1993) 391.
  21. L3 collaboration, Search for a Z' at the Z resonance, Physics Letters - 306B (1993) 187.