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