PRESENTAZIONE

Cos'è un esperimento di fisica delle interazioni fondamentali ai collider? Quali misure di precisione vi possiamo effettuare e con quali strumenti? Che approcci ci offre per la scoperta di nuovi fenomeni fisici?
Queste sono le principali domande a cui il corso vuole rispondere, dotando studentesse e studenti dello stato dell'arte in fatto di analisi dei dati raccolti ai collider, passando per una comprensione critica di risultati storici e volgendo lo sguardo agli esperimenti futuri.

OBIETTIVI E CONTENUTI

OBIETTIVI FORMATIVI

Studentesse e studenti dovranno acquisire le conoscenze necessarie a comprendere gli studi di fisica delle interazioni fondamentali affrontati presso un esperimento ai collider, ad interpretarne i dati raccolti in termini di misure di fisica e ad orientarsi su eventuali ricerche ed esperimenti futuri.

OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

Il corso si propone di fornire gli strumenti concettuali, teorici e metodologici per una chiara comprensione dei risultati sperimentali di fisica delle interazioni fondamentali, con particolare enfasi su quelli prodotti dagli esperimenti operanti presso i collider. Per raggiungere tale obiettivo, verranno descritte e messe in pratica le tecniche necessarie per ricostruire ed identificare le particelle prodotte dalle collisioni e per combinare a loro volta queste informazioni allo scopo di indagare il contenuto dei dati in termini di osservabili fisiche.
Alla fine del corso, studentesse e studenti saranno in grado di:

• dimensionare qualitativamente un ipotetico progetto per un acceleratore e corrispondente apparato sperimentale per lo studio di varie categorie di processi;
• comprendere ed analizzare criticamente un generico lavoro scientifico riguardante il settore sperimentale della fisica delle particelle elementari (in particolare quelli riguardanti la fisica ai collider);
• impostare in autonomia ogni passo di una analisi dati volta a produrre un nuovo risultato di fisica, dalla caratterizzazione degli strumenti adottati, al trattamento statistico dei risultati e al loro confronto con le previsioni teoriche (competenza propedeutica allo svolgimento di un lavoro di tesi di Laurea Magistrale nel settore).

PREREQUISITI

Per accedere efficacemente ai contenuti chiave dell’insegnamento sono necessarie le seguenti conoscenze di fisica delle particelle e di analisi sperimentale dei dati:

• comprensione basilare degli elementi cardine del Modello Standard, fra cui: classificazione delle particelle da esso descritte, composizione degli adroni secondo il modello a quark, interazioni elettrodeboli e loro mediatori; 
• descrizione delle interazioni tra particelle elementari tramite diagrammi di Feynman e loro uso per stimarne qualitativamente le proprietà;
• processi di interazione della radiazione con la materia;
• stima delle diverse tipologie di errore su una misura e tecniche di propagazione, basi di analisi statistica;
• basi di linguaggi di programmazione comunemente usati in esperimenti di fisica ai collider (ad es. C++, Python).

Qualora ritenuto utile o necessario, il corso prevedrà una rassegna sintetica dei contenuti, fra quelli elencati, che non siano stati coperti da corsi obbligatori.

MODALITA' DIDATTICHE

L’insegnamento si avvale principalmente di lezioni frontali ed attività di approfondimento, nella forma di brevi cicli di seminari su argomenti specifici. La partecipazione alle lezioni ed ai cicli di seminari è fortemente consigliata.
Le lezioni frontali in aula sono svolte mediante l'ausilio di presentazioni multimediali e l'utilizzo della lavagna.
Saranno proposte anche esercitazioni pratiche al computer, relative alla ricostruzione dei dati ed alla loro analisi, basandosi su processi di fisica ai collider, utilizzando dati simulati e realmente raccolti dagli esperimenti del settore. La partecipazione alle esercitazioni (o il loro recupero) è obbligatoria per poter sostenere l'esame.

PROGRAMMA/CONTENUTO

Caratteristiche cruciali di un esperimento di fisica delle interazioni fondamentali ai collider.
Introduzione alle più comuni tipologie di misura sperimentale: sezioni d'urto, distribuzioni angolari, vite medie, fenomeni di oscillazione.
Elementi di progettazione dei collider, in funzione dei fenomeni che si desidera studiare, con breve discussione di sistemi di tracciatura, calorimetrici, di particle identification, e di selezione in tempo reale (trigger).
Ricostruzione di osservabili fisiche nei prodotti di una collisione, definizione e misura dello stato finale.
Tecniche di calibrazione degli strumenti di ricostruzione ed analisi sui dati reali.
Interpretazione dei dati raccolti in termini di misure di fisica.
Non idealità dei processi di analisi: caratterizzazione di efficienza di ricostruzione e identificazione, presenza di falsi candidati (fake) e stima della risoluzione per le osservabili ricostruite.
Metodi sperimentali per ottenere una stima affidabile dei fondi fisici e strumentali: studi basati su simulazioni o su dati reali (tecniche data driven), definizione di regioni e campioni di controllo.
Interpretazione statistica dei risultati ottenuti: trattamento di errori statistici e sistematici, processi di misura o di estrazione di un limite, tecniche di unfolding.
Tecniche per l'ottimizzazione dei risultati scientifici, ad esempio in termini di massimizzazione del segnale rispetto al fondo: approcci tradizionali e innovativi, dall'applicazione di tagli sulle singole osservabili all'uso di tecniche di machine learning.
Esempi di misure chiave nel Modello Standard: violazione di CP, libertà asintotica della QCD, rottura spontanea di simmetria tramite il meccanismo di Higgs.
Impostazione della ricerca di fenomeni fisici non previsti dal Modello Standard, sia in termini di analisi, sia in termini di progettazione dei futuri acceleratori e rivelatori.
Esercitazioni pratiche relative a misure rilevanti per il settore, basate su analisi di dati simulati e reali.

TESTI/BIBLIOGRAFIA

Le presentazioni multimediali utilizzate per la didattica frontale saranno disponibili su AulaWeb entro il termine di ogni ciclo di lezioni, insieme ad eventuali approfondimenti e ad altro materiale bibliografico, tutto fornito in formato PDF.
Le tracce per lo svolgimento delle esercitazioni pratiche saranno invece fornite, sempre su AulaWeb e in formato PDF, con congruo anticipo rispetto alle esercitazioni stesse.
Inoltre si fornisce la seguente lista di testi, da intendersi come documenti di appoggio e approfondimento; i testi sono disponibili presso la biblioteca della Scuola di Scienze M.F.N.

• C. Grupen, B. Schwartz - Particle Detectors, 2nd ed., Cambridge University Press - 2008
• D. Griffith - Introduction to Elementary Particles, 2nd, Revised Edition, J. Wiley - 2008
• G. Bohm, G. Zech - Introduction to Statistics and Data Analysis for Physicists, DESY - 2010 
• F. Halzen, A. Martin - Quarks and leptons, J. Wiley - 1984
• S. Braibant, G. Giacomelli, M. Spurio - Particelle ed interazioni fondamentali, Springer - 2009
• Particle Data Group - Particle detectors at accelerators - 2017

DOCENTI E COMMISSIONI

Commissione d'esame

CARLO SCHIAVI (Presidente)

ANDREA COCCARO

FEDERICO SFORZA (Presidente Supplente)

LEZIONI

Orari delle lezioni

L'orario di questo insegnamento è consultabile all'indirizzo: Portale EasyAcademy

ESAMI

MODALITA' D'ESAME

L'esame consiste in una prova orale che verte sugli argomenti del corso e nell’approfondimento di un articolo (o più articoli collegati) su misure di fisica effettuate ai collider. Tale argomento dovrà essere esposto tramite un seminario della durata di circa 25 minuti.
I seminari saranno pubblici ed organizzati in sessioni comuni a più studentesse e studenti del corso, organizzando, preferenzialmente, una sessione per ogni semestre.
La prova orale potrà essere sostenuta solo successivamente all'esposizione del seminario.

MODALITA' DI ACCERTAMENTO

La commissione, in occasione dell'esposizione del seminario, ne valuterà la correttezza ed il livello di approfondimento, nonché la chiarezza espositiva e la capacità di sintesi dimostrate.
La discussione orale verterà su un paio argomenti trattati durante le lezioni frontali e non completamente coperti dal seminario, mirando a valutare il livello di conoscenza raggiunto riguardo allo sviluppo di analisi sperimentali di fisica ai collider. Sarà anche valutata la capacità di esporre gli argomenti in modo chiaro e con una terminologia scientifica adeguata.
Le valutazioni relative al seminario e alla discussione orale contribuiranno in egual misura alla formazione del voto finale, tenendo conto di un incentivo basato sulla comprensione delle esercitazioni svolte durante il corso.

Calendario appelli

ALTRE INFORMAZIONI

La frequenza regolare alle lezioni ed ai cicli di seminari è fortemente consigliata, la frequenza alle esercitazioni di laboratorio è obbligatoria.