RICERCA ITALIANA     

Nuova fisica e fisica di precisione agli acceleratori: problemi di frontiera nella teoria delle interazioni fondamentali

Scuola Normale Superiore di Pisa

Abstract

La sperimentazione agli acceleratori e' la sorgente primaria di informazione sulla struttura microscopica delle interazioni fondamentali. Lo scopo generale del programma di ricerca e' quello di estendere e consolidare le conoscenze teoriche necessarie per orientare e sostenere questi esperimenti, per contribuire a chiarirne l'interpretazione dei risultati e, infine, per permetterne la penetrazione nella comunita' scientifica internazionale. E' inoltre parte integrante del programma l'obbiettivo di formare giovani ricercatori, da concretizzare mediante l'accensione di borse post-dottorali per piu' di venti annualita' complessive e con un impegno finanziario superiore alla meta' del costo complessivo del programma di ricerca. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Riccardo BARBIERI Scuola Normale Superiore di PISA

Obiettivo del Programma di Ricerca

La collaborazione proposta in questo programma mette insieme i migliori gruppi italiani attivi nella ricerca in fisica teorica delle interazioni forti, elettromagnetiche e deboli fra i costituenti della materia. La sperimentazione agli acceleratori e' la sorgente primaria di informazione sulla struttura microscopica delle interazioni fondamentali. Lo scopo generale del programma di ricerca e' quello di estendere e consolidare le conoscenze teoriche necessarie per orientare e sostenere questi esperimenti, per contribuire a chiarirne l'interpretazione dei risultati e, infine, per permetterne la penetrazione nella comunita' scientifica internazionale. Questa attivita' richiede una somma di conoscenze molto varie e complementari fra loro. L'integrazione di queste competenze e' l'obbiettivo specifico della collaborazione. Questo obiettivo e' desiderabile sia da un punto di vista culturale, evitando l'inaridimento della specializzazione, che metodologico, per la complessita' e l'intreccio dei problemi da affrontare. E' inoltre parte integrante di questa visione generale l'obbiettivo di formare giovani ricercatori, da concretizzare mediante il bando di borse post-dottorali per piu' di venti annualita' complessive e con un impegno finanziario superiore alla meta' del costo complessivo del programma di ricerca.

Una classificazione dei temi di ricerca affrontati e' possibile per settori di fisica, per strumenti concettuali e per gli acceleratori di diversa natura, con connessioni sensibili fra i vari casi. I settori di fisica sono:
- La fisica delle interazioni elettrodeboli (EWI);
- La fisica del sapore;
- La Cromodinamica Quantistica (QCD).

Nella fisica delle EWI e' aperto il problema del meccanismo e della dinamica della rottura della simmetria di gauge, cioe' dell'origine fisica della scala di Fermi. Si tratta di uno dei problemi piu' importanti e piu' misteriosi nella fisica delle particelle elementari. Questo tema e' esplorabile sperimentalmente al TEVATRON di Chicago e, sopratutto, sara' al centro dell'attivita' del LHC di Ginevra. I problemi di fisica teorica connessi variano dalla formulazione di modelli per la rottura della simmetria elettrodebole allo studio di processi di fondo, di natura sia elettrodebole che forte, con tecniche perturbative e semiperturbative, analitiche e/o numeriche. La complementarieta' di questi studi e' fondamentale per l'orientamento e la comprensione degli esperimenti in questo settore.

La fisica del sapore ha fatto negli ultimi anni un grande salto qualitativo con due risultati di straordinaria importanza:
- Il primo test quantitativo della teoria di riferimento (il Modello Standard, MS) nella violazione di CP nei canali Delta S=2, Delta S=1 e Delta B=2, che confermano la correttezza fenomenologica della descrizione basata sulla matrice di Cabibbo, Kobayashi e Maskawa;
- La scoperta essenzialmente definitiva delle oscillazioni di neutrini e dunque della violazione del sapore leptonico.

Con riferimento al primo argomento, sarebbe pero' sbagliato pensare che esista a questo punto una verifica definitiva del MS nel settore del sapore. Sono ancora possibili al contrario violazioni molto significative dalla fenomenologia standard e, quel che piu' conta, queste violazioni sono potenzialmente osservabili per esempio nella fisica del quark b alle B-factories, al TEVATRON ed eventualmente al LHC. In molti casi, pero', per mettere in evidenza queste eventuali violazioni occorre una conoscenza della fisica adronica al limite delle capacita' attuali.

La fisica dei neutrini e' al centro della fisica del sapore. Quattro parametri fenomenologici (due angoli di mescolamento e due differenze di massa) cominciano ad essere misurati con precisione significativa. Anche in questo caso il progresso di comprensione puo' solo venire da un incrocio di modelli teorici e di analisi puntuali delle osservazioni sperimentali.

La QCD e' da considerare, per molti versi, il settore del MS teoricamente piu' soddisfacente. Essa contiene pero' un formidabile problema teorico irrisolto: la sua soluzione nel regime non perturbativo. Questo problema e' affrontato da punti di vista significativamente diversi fra loro. Esso ha implicazioni dirette e indirette nella quasi totalita' degli esperimenti sopra menzionati e in tutta la fisica microscopica, dalla fisica nucleare alla cosmologia. Sempre nell'ambito della QCD, e' gia' stata menzionata l'importanza di sviluppare tecniche analitiche, semi-analitiche o numeriche nel regime semi-perturbativo o perturbativo.

E' importante osservare come l'attivita' menzionata si possa raggruppare per metodologie diverse, perche' questi raggruppamenti possono dare luogo alle sinergie perseguite nella collaborazione.
Queste metodologie sono:
- La modellistica;
- Le tecniche di teoria di campo perturbative;
- Le tecniche di teoria di campo non-perturbative.
E' utile descrivere sia la base di partenza scientifica che il programma di ricerca del progetto organizzandoli secondo tali raggruppamenti metodologici, come faremo nel seguito.

Le unita' di ricerca che partecipano al presente progetto hanno gia' fornito in passato importanti contributi ai temi accennati, ed alcune di loro hanno partecipato a network finanziati dall'Unione Europea. Il presente progetto consentira' una migliore integrazione delle diverse unita' di ricerca, con lo scambio delle conoscenze necessarie per competere a livello internazionale nello sviluppo dei filoni piu' recenti e promettenti. <<<

Risultati parziali attesi

MODELLI TEORICI

- La formulazione e lo studio di modelli teorici per la rottura della simmetria elettrodebole [fase 1, fase 2]

- Lo studio e lo sviluppo di modelli del sapore sia adronico che leptonico, nel contesto delle teorie di Grande Unificazione e/o di simmetrie orizzontali [1, 2]

- Lo studio e lo sviluppo di modelli non-standard della gravita' [2]

- Lo studio di nuovi meccanismi di rottura della supersimmetria nel contesto di teorie di supergravita' in extra dimensioni e di supercorde [2]

FENOMENOLOGIA OLTRE IL MODELLO STANDARD

- Studio del potenziale di scoperta di futuri esperimenti di oscillazione di neutrini [1]

-Identificazione di modelli di sapore che descrivono piu' naturalmente i valori osservati delle masse e dei mescolamenti dei neutrini [1,2]

- Studio della correlazione fra le varie osservabili della fisica del sapore in diverse estensioni del MS [2]

- La ricerca diretta della supersimmetria agli acceleratori [1]

- Studio dei possibili segnali di Higgs a LHC nel contesto di modelli non standard [1,2]

FISICA ELETTRODEBOLE PERTURBATIVA

- Sviluppo di tecniche di calcolo di precisione per la fisica elettrodebole a LHC, con particolare riferimento al settore di Higgs [1]

- Determinazione completa a due loop dell'angolo di mixing elettrodebole efficace [2]

- Correzioni radiative nel settore di Higgs: determinazione della massa, segnale e background, decadimenti (es. due fotoni) [1]

- Determinazione a tutti gli ordini dei fattori di forma di Sudakov elettrodeboli [2]

- Calcolo automatico di diagrammi di Feynman: progetto TOPSIDE [1, 2]

- Sviluppo di montecarli per LHC: ALPGEN e PHAS [1, 2]


FISICA DEL SAPORE

- Rduzione dell'incertezza teorica e miglioramenti fenomenologici nella determinazione dei parametri della matrice CKM [1, 2]

- Miglioramento dell'accuratezza nella fenomenologia dei parametri della matrice CKM, dell'analisi del triangolo di unitarieta' e della violazione di CP [1 ]

- Inclusione di correzioni soppresse da potenze di m_b nella determinazione di elementi della matrice CKM [2]

- Studio dei decadimenti rari del B [1, 2]

QCD PERTURBATIVA

- Fenomenologia della struttura adronica e calcolo di corrrezioni di QCD per la determinazione di precisione di processi ai collider adronici (Tevatron e LHC) [1, 2].

- Determinazione dell'errore sulle distribuzioni partoniche [1]

-Risommazione combinata a piccolo e grande x e suo impatto su processi
a LHC (produzione di Higgs) [2]

- Risommazione completa a piccoli x all'ordine next-to-leading [2]

- Determinazione di precisione di tassi di produzione e decadimento di
stati legati di quark pesanti, specificamente charmonio [1]

QCD NON PERTURBATIVA

- Confinamento del colore:
a1) Comprensione della transizione di fase chirale per QCD con Nf=2: la decisione tra primo ordine e secondo ordine con simmetria O(4) puo' fornire indicazioni importanti sul meccanismo di confinamento e sul ruolo dell'anomalia assiale.[1]
a2) Studio diretto del ruolo della simmetria U(1) assiale mediante determinazione della suscettivita' topologica vicino alla temperatura critica Tc. [2 ]
a3)Analisi delle caratteristiche di possibili stati superconduttori in QCD a densita' barionica finita. [1,2 ]

- Sviluppo di architetture innovative di macchine parallele [1 ] e di codici ottimizzati per le stesse.[2 ]

- Sviluppo di tecniche teoriche per la rinormalizzazione non perturbativa nello spazio delle coordinate [1 ]

- Studio numerico delle funzioni di struttura adroniche di singoletto in presenza di quark dinamici [ 1,2 ]

- Calcolo di elementi di matrice deboli in presenza di quark dinamici [1,2] Studio della loro dipendenza dal volume del reticolo [1, 2]Si veda la descrizione nella fase 1. Nei Risultati parziali attesi e' anche indicata la distinzione in fasi prevista nel programma. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Modellistica oltre il Modello Standard


E' comunemente accettato che il MS, nonostante il suo straordinario successo, vada modificato al di sopra di una certa scala di energia. Uno degli obiettivi primari della fisica delle interazioni fondamentali e' l'identificazione di tale scala di energia e della natura delle modifiche necessarie, in modo da consentire il passaggio dal Modello Standard ad una teoria piu' completa e predittiva che lo contenga.

Un'ipotesi fondata e' che il Modello Standard debba essere modificato in prossimita' della scala di Fermi, ovvero ad energie dell'ordine del TeV. Tra le possibilita' finora considerate (singolarmente o in combinazione) vanno menzionati un settore di Higgs fortemente interagente, la supersimmetria e l'esistenza di nuove dimensioni spaziali. Verifiche dirette di tali ipotesi sono state in parte possibili al LEP e al Tevatron, continueranno al Tevatron e saranno al centro della sperimentazione al LHC. Verifiche indirette provengono dai test di precisione della fisica elettrodebole e della fisica del sapore, condotti nel passato al LEP e ad altri acceleratori, attualmente al Tevatron e alle B-factories.

Vi sono poi altre ipotesi fondate che suggeriscono nuova fisica ad altre scale di energia. La grande unificazione delle interazioni di gauge del Modello Standard e la loro possibile superunificazione con la gravita' rendono plausibile l'esistenza di nuova fisica a scale non lontane dalla scala di Planck. I valori osservati delle costanti di accoppiamento di gauge, i parametri misurati delle oscillazioni dei neutrini e il successo del paradigma inflazionario corroborano in parte tale possibilita'. Resta pero' aperto il problema di trovare una teoria unificata che generi in maniera naturale la gerarchia tra la scala di Fermi e la scala di Planck, nonche' i parametri di rottura delle simmetrie di sapore nei settori adronico e leptonico, rispettando i vincoli sperimentali esistenti. In questo quadro generale, il problema cruciale e' quello di formulare modelli e predizioni sperimentalmente verificabili.

Tecniche di teoria di campo perturbative

I tre settori di fisica di questo progetto di ricerca hanno un'importante componente di fisica perturbativa. In effetti, e' sulla base dello sviluppo di tecniche perturbative di precisione che si e' costituita la conoscenza dettagliata e quantitativa del MS . Su questa stessa base si fondano l'esplorazione degli orizzonti di nuova fisica e lo sviluppo di tecniche nonperturbative che, soprattutto per cio' che concerne l'interazione forte, permettono di attaccare i principali problemi teorici irrisolti del MS stesso.

Nel caso della fisica elettrodebole, la determinazione precisa dei parametri del MS ottenuta agli acceleratori passati ed attuali (in particolare LEP e Tevatron) e' basata sullo sviluppo di tecniche a molti loop, in particolare tecniche di calcolo automatico, nonche' lo sviluppo di potenti metodi di simulazione numerica (Monte Carlo e generatori di eventi). Queste tecniche hanno consentito di porre limiti stringenti sia al meccanismo di rottura della simmetria elettrodebole, non ancora individuato con certezza, sia alla fisica al di la' del MS.

Per quanto riguarda la fisica del sapore, la determinazione dei parametri della matrice di massa dei quark da recenti esperimenti alle B-factories, al Tevatron e nella fisica del K (Dafne, SPS...) e' stata possibile grazie allo sviluppo di tecniche che fanno uso della nozione di lagrangiana efficace, dei teoremi di fattorizzazione e del calcolo a molti loop dei coefficienti di Wilson rilevanti. Questo mole di lavoro teorico acquista rilevanza grazie ad un parallelo lavoro fenomenologico di analisi dei dati, sia nel settore adronico che in quello leptonico, che di recente ha visto spettacolari sviluppi nella determinazione delle masse e del mescolamento dei neutrini.

Infine in QCD lo sviluppo di tecniche di calcolo di processi a molti ordini o con molti partoni, nonche' di risommazione di infiniti ordini perturbativi, ha permesso di sfruttare la gran mole di dati, provenienti in particolare da HERA e dal Tevatron. Questo ha fornito la conoscenza di precisione dell'interazione forte che costituisce la base quantitativa per l'interpretazione dei risultati sperimentali ai collider adronici presenti e futuri (Tevatron ed LHC).


Tecniche di teoria di campo non-perturbative

Vi sono quantita' rilevanti per la verifica della teoria che coinvolgono la QCD a grandi distanze, dove lo sviluppo perturbativo non e' valido. Tra queste in particolare le ampiezze per processi elettrodeboli, che sono elementi di matrice tra stati adronici di operatori costruiti con i campi dei quarks. Le particelle asintotiche della QCD non sono le eccitazioni fondamentali (quarks e gluoni) ma stati composti e singoletti di colore: i quarks liberi non sono mai stati osservati. Questo fenomeno e' noto come confinamento del colore, e anch'esso riguarda la QCD alle grandi distanze. La possibile esistenza di una transizione di deconfinamento e' oggetto di ricerche sperimentali nelle collisioni di ioni pesanti a RHIC (Brookhaven) e lo sara' al LHC (CERN). Fenomeni interessanti possono anche presentarsi alle alte densita' di numero barionico, con una possibile variet`a di fasi con simmetrie diverse, che possono essere studiate con l'uso di modelli effettivi.

Una trattazione non perturbativa ben consolidata di questi problemi consiste nel calcolo diretto dell'integrale di cammino di Feynman, o meglio di un suo approssimante ottenuto discretizzando lo spazio tempo con un reticolo, mediante simulazioni numeriche con metodi di Montecarlo. Questo approccio richiede grandi calcolatori, sviluppo di codici adeguati e parallelamente un notevole lavoro di comprensione delle approssimazioni coinvolte e del passaggio al limite continuo. Le simulazioni su reticolo permettono anche di studiare la QCD ad alta temperatura, in particolare l'esistenza e la natura di una transizione dalla materia adronica ad un gas di quarks e di gluoni (deconfinamento), e con essa il meccanismo che confina il colore. All'interno del progetto esistono gruppi con riconosciuta esperienza nelle problematiche sopra esposte, e strumenti di calcolo adeguati (calcolatori della serie APE dell'INFN). <<<