RICERCA ITALIANA     

Modelli teorici, calcoli di precisione e metodi di simulazione per la prossima fase di esperimenti in fisica delle particelle.

Università degli Studi Roma Tre

Abstract

Nei prossimi anni ci si aspetta un significativo afflusso di nuovi dati sperimentali nel campo della fisica delle particelle elementari. L'impulso principale verra' dato nel 2007-2008 dall'inizio degli esperimenti al Large Hadron Collider (LHC) del CERN. L'inizio dell'era LHC si sovrapporra' alla produzione finale di dati del Tevatron e delle B-factories, alla prosecuzione degli esperimenti a targhetta fissa, ai dati di RHIC sugli urti di protoni polarizzati. Nuovi importanti esperimenti sulle oscillazioni di neutrino stanno raccogliendo dati o sono in procinto di iniziare. Lo scopo della nostra proposta di ricerca e' quello di migliorare il background teorico necessario ad accogliere ed interpretare i risultati sperimentali mediante una combinazione di model building, calcoli di precisione e metodi di simulazione. I partecipanti alla nostra proposta hanno una consolidata esperienza di lavoro teorico in stretta connessione con gli esperimenti. Una componente essenziale del nostro programma e' anche la formazione di giovani teorici nel campo. La maggior parte del corrispondente finanziamento sara' devoluta a borse di studio post-dottorato. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Guido Altarelli Università degli Studi ROMA TRE

Obiettivo del Programma di Ricerca

La presente Collaborazione e’ composta da gruppi con un comune interesse in studi teorici direttamente connessi con la sperimentazione sulle interazioni tra particelle fondamentali. Nel passato recente molti di noi hanno avuto un ruolo riconosciuto nella preparazione e l’interpretazione dei risultati di LEP, del Tevatrone, di HERA, delle B-factories, degli experimenti con bersaglio fisso al CERN e al Fermilab e delle oscillazioni di neutrino. Cosi’ pure abbiamo direttamente preso parte alla preparazione del LHC. Lo spettro di competenze al nostro interno e’ vasto: QCD perturbativa e non perturbativa, tecniche avanzate per il calcolo analitico di diagrammi di Feynman a molti loop per processi forti ed elettrodeboli, algoritmi per la valutazione al computer di complessi processi fisici a livello non leading, metodi di simulazione per le shower partoniche e per l’adronizzazione, tecniche combinate tra calcoli perturbativi e simulazioni sul reticolo per lo studio dei decadimenti dei B, ideazione di modelli di nuova fisica oltre il Modello Standard (MS) e relative applicazioni fenomenologiche, costruzione di modelli per le masse e i mixing dei neutrini. Pensiamo che la combinazione di queste competenze diverse sia essenziale per far fronte ai problemi e alle sfide connesse con la natura estremamente complessa degli esperimenti attuali in fisica delle particelle e offra la possibilita’ di un reciproco potenziamento molto fruttuoso. Siamo convinti che questo progetto rendera’ possibile una migliore integrazione tra le nostre diverse competenze aumentando la nostra competitivita’ a livello internazionale.

L’obiettivo generale della nostra proposta di ricerca e’ di migliorare il livello di supporto teorico che e’ necessario per preparare ed interpretare i risultati sperimentali mediante la formulazione di modelli, calcoli di precisione e sviluppo di metodi di simulazione. Presentiamo ora in dettaglio i nostri obiettivi specifici nelle differenti direzioni principali. Per tutti questi soggetti di studio abbiamo nella nostra Collaborazione degli esperti a livello internazionale che gia’ da anni hanno svolto ricerche simili con risultati ben riconosciuti, come documentato dalle liste di pubblicazioni scelte che appaiono nei Mod. A e B della nostra proposta.

- Fisica di LHC

Un primo importante obiettivo e’ il miglioramento delle tecniche di calcolo analitico o quasi analitico in teoria dei campi perturbativa applicata a processi forti ed elettrodeboli. Questo programma include la continuazione degli studi sul calcolo dei diagrammi di Feynman con loops o con molti partoni nello stato finale. Queste tecniche sono essenziali, per esempio, per un calcolo completo delle correzioni radiative a due loops nel MS. Lo studio di stati finali con molti partoni a livello albero e oltre ha ricevuto recentemente un nuovo impulso con tecniche ispirate alla teoria delle stringhe (calcolo dei twistori). Infine tutta una serie di calcoli di sezioni d’urto e di distribuzioni per una lista di processi di speciale interesse e’ tuttora in corso.

Una seconda classe di obiettivi e’ nell’ambito degli algoritmi per i generatori di eventi al computer basati sui metodi di Monte Carlo. Gli strumenti piu’ moderni in questo campo sono composti di stadi successivi: prima il calcolo automatico degli elementi di matrice al quadrato al primo ordine subdominante (NLO) per il processo partonico sottostante, poi lo sviluppo delle cascate partoniche e infine il processo di adronizzazione. La valutazione al computer degli elementi di matrice quadrati NLO comporta lo sviluppo di algoritmi per la cancellazione automatica delle divergenze infrarosse tra i diagrammi reali e virtuali. La procedura di connessione tra gli elementi di matrice quadrati e il trattamento sofisticato del processo di cascata e poi di adronizzazione viene continuamente migliorata. Infine il prodotto ultimo deve essere ulteriormente elaborato per poter essere facilmente usato dai fisici in una comunita’ piu’ vasta del gruppo degli autori.

- Fisica del sapore

Nel campo della fisica del sapore gli interessi della nostra collaborazione si concentrano sulla fisica dei B (decadimenti, quarkonio) e sulle masse e i mixings dei neutrini. Nei prossimi anni continueranno gli esperimenti sui decadimenti del B alle B factories e anche al LHC (con l’esperimento dedicato LHCb), principalmente rivolti alla ricostruzione dei triangoli di unitarieta’ per la verifica del corrispondente meccanismo per la violazione di CP. In questo campo i nostri obiettivi specifici sono, da una parte, di migliorare la valutazione degli elementi di matrice adronici usando metodi non perturbativi, in particolare simulazioni di QCD sul reticolo. Un progetto a lungo termine in questa direzione e’ di utilizzare la prossima generazione di computers del tipo APE (APENEXT) che sono accessibili al nostro gruppo, al fine di ottenere una valutazione “unquenched” di parametri adronici cruciali quali BK (rilevante per il mixing KKbar), i fattori di forma semileptonici del B etc. Dato che alcuni processi importanti, quali i decadimenti a due corpi dei mesoni B, sono troppo complicati per essere studiati sul reticolo, degli approcci alternativi sono stati studiati dalla nostra Collaborazione (charming penguins) e si ha intenzione di continuare in questa direzione. D’altra parte, intendiamo discutere e analizzare modelli alternativi per i decadimenti del B e la violazione di CP basati su fisica oltre il MS, in particolare la supersimmetria. Una linea di ricerca in questa direzione che e’ attualmente in corso e’ il calcolo delle correzioni NLO di QCD nel MS minimale supersimmetrico al mixing BBbar, DDbar, KKbar. Un calcolo simile per le transizioni con DF=1 e’ anche in programma. La continuazione dello studio degli stati di quarkonio in teorie effettive e’ anche prevista.

Il progresso nelle conoscenze sulle oscillazioni di neutrino e’ stato uno degli sviluppi piu’ interessanti nell’ultimo decennio in fisica delle particelle. Uno degli obiettivi della nostra Collaborazione in questo campo e’ lo studio di modelli basati su particolari principi dinamici che possano in modo naturale spiegare la struttura delle matrici di massa e di mixing osservate sperimentalmente. Recentemente un’attenzione particolare e’ stata rivolta alle simmetrie discrete per la derivazione delle matrici di massa dei neutrini. Nella nostra Collaborazione abbiamo studiato modelli basati sulle simmetrie di permutazione S3 e A4. Un compito per la ricerca in questo campo e' di chiarire, se possibile, l’origine di A4 ad un livello piu’ fondamentale (per esempio ulteriori dimensioni oppure la teoria delle stringhe) e di risolvere un certo numero di problemi aperti, quali la formulazione di un modello Grande Unificato con A4 oppure un’estensione ai quark che sia in grado di spiegarne quantitativamente la matrice di mixing. Un’ulteriore linea di ricerca riguarda la discussione quantitativa del potenziale di fisica dei futuri esperimenti con i neutrini.

- Funzioni di Struttura

Un’importante direzione di ricerca e’ nel settore delle risommazioni di serie di termini grandi, per esempio di grandi logaritmi, come i doppi logaritmi di Sudakov associati con i partoni iniziali, oppure i logaritmi a piccoli x oppure (1-x) nelle densita’ dei partoni. Inoltre, nel prossimo futuro saranno noti i risultati di COMPASS al CERN e di RHIC con protoni polarizzati. I dati di questi esperimenti di alta qualita’ saranno in grado di rispondere ad un numero di importanti domande, quali la frazione di spin del protone portata dai gluoni e la prima misura della funzione di struttura di trasversita’. Nella nostra Collaborazione ci sono molti esperti in questo campo che hanno dati contributi rilevanti nel passato. Non appena i nuovi dati saranno disponibili abbiamo intenzione di fare una rassegna quantitativa della nostra comprensione delle funzioni di struttura di spin. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

E’ chiaro che i prossimi anni saranno decisivi per la fisica delle particelle. Di gran lunga il maggiore investimento in questo campo e’ il LHC che sara’ pronto verso la fine del 2007 al CERN e si prevede che comincera’ ad accumulare una quantita’ significativa di dati a partire dal 2008. Le risposte cruciali che ci aspettiamo dal programma principale del LHC sono ben note: la chiarificazione sperimentale del settore della rottura della simmetria elettrodebole, con la scoperta della(e) particella(e) di Higgs, la ricerca dei fenomeni da nuova fisica che ci si attende che sia presente alla scala del TeV per rendere stabile in modo naturale la scala debole (risolvendo con cio’ il problema della gerarchia), la possibile conferma che la(e) particella(e) che costituisce la materia oscura nell’Universo e’ uno stato massivo con interazione elettrodebole. Quindi, da una parte, il LHC dovrebbe concludere la verifica sperimentale del MS studiando il settore della rottura di simmetria elettrodebole, che e’ finora sostanzialmente inesplorato, scoprendo la particella di Higgs e facendo un primo studio delle sue proprieta’ fisiche. D’altra parte, potrebbe aprire una nuova fase di ricerca rivelando nuova fisica nel suo range, che ci si aspetta debba esistere sulla base di forti argomenti di naturalezza e che, se effettivamente esiste, certamente richiedera’ ulteriori studi. Sara’ solo intorno al 2010 o giu’ di li’ che, sulla base dei risultati del LHC, si potra’ decidere quale possa essere il prossimo investimento ottimale in fisica delle particelle.

E’ anche chiaro che tutti i segnali interessanti al LHC hanno sezioni d’urto molto piccole in confronto ai processi standard, in particolare quelli dovuti alle interazioni forti che, in un collider adronico, tendono a sovrastare i segnali interessanti che sono per lo piu’ di natura elettrodebole. Quindi le scoperte sono solo possibili con rivelatori molto sofisticati e con uno studio dettagliato di tutte le distribuzioni rilevanti del segnale e dei possibili processi standard di fondo. Molto lavoro teorico e’ stato fatto negli anni per rendere possibili gli esperimenti al LHC (e molti membri della nostra Collaborazione hanno dato contributi rilevanti a questo processo [1]), ma questo lavoro e’ ancora ben lontano dall’essere completo in modo soddisfacente. Una molteplice attivita’ e’ tuttora in corso in tutto il mondo per affinare i nostri strumenti in vista dell’inizio del LHC ed e’ facile prevedere che, una volta che i dati cominceranno ad accumularsi, nuove sfide saranno suscitate dai risultati e nuove necessita’ si manifesteranno. In questo contesto generale, alcuni esempi di obiettivi specifici che la nostra Collaborazione ha intenzione di perseguire sono stati descritti nella sezione precedente. Data l’importanza dominante del progetto LHC abbiamo elencato nella sezione “Fisica del LHC” una serie di attivita’ su calcoli di precisione e metodi di simulazione in QCD e nella teoria elettrodebole, nel MS e oltre, che in realta’ si applicano anche a differenti possibili acceleratori futuri quali l’International Linear Collider (ILC) oppure CLIC. Inoltre nella nostra proposta abbiamo sottolineato quegli obiettivi che sono tipici della preparazione degli esperimenti perche’ nel periodo 2007-08 si avra’ solo l’inizio della presa dati. Naturalmente quando i risultati del LHC saranno noti l’attivita’ piu’ interessante sara’ l’interpretazione delle misure e lo studio delle loro conseguenze.

Mentre il LHC esplorera’ un dominio di fisica completamente nuovo, gli esperimenti alle B factories (Belle, BaBar...) hanno gia’ ottenuto una gran parte dei loro risultati e si avvicinano ad una fase finale di accresciuta precisione. Il responso di questi esperimenti e’ stato che la descrizione del MS per il mixing dei quark e per la violazione di CP si rivela corretta nei decadimenti del B. Questo aggiunge nuovi elementi di mistero al problema del sapore: la maggior parte dei modelli di nuova fisica, che sono stati introdotti per risolvere il problema della gerarchia, producono deviazioni dal MS per i processi di corrente neutra con cambiamento di sapore e per la violazione di CP. Quindi a priori ci saremmo aspettettati delle deviazioni misurabili dal MS che pero’ non sono finora apparse. In particolare l’unica fase che appare nella matrice CKM si conferma essere la sorgente dominante della violazione di CP nei decadimenti del B, nel senso che tutti i processi dominati da diagrammi a livello albero sono in accordo con la teoria di CKM. Ma gli effetti di nuova fisica potrebbero ancora essere confinati a quelle transizioni che sono dominate da diagrammi con loops. Quindi al momento attuale l’attenzione e’ rivolta verso gli esperimenti di precisione su processi dominati da diagrammi con loops (pinguini). Esempi sono gli stati finali a due mesoni come B-&gt;2pioni, B-&gt;Kpione, B-&gt;KK. L’analisi teorica di questi processi esclusivi e’ particolarmente difficile e viene attualmente affrontata con una combinazione di metodi perturbativi e non perturbativi (teorie effettive, simulazioni su reticolo). Nella nostra Collaborazione esiste una base di competenze molto ben stabilita in questo dominio e molto lavoro e’ stato prodotto nel passato, sia nel MS che oltre, lavoro che e’ stato molto ben riconosciuto [2]. Inoltre il nostro gruppo ha partecipato fin dall’inizio alle attivita’ della “Collaborazione UTfit”, un gruppo internazionale composto da teorici e sperimentali che svolge il compito di combinare ed interpretare (sia nel MS che in modelli di nuova fisica) la totalita’ dei dati esistenti sui triangoli unitari. Le B factories offrono anche ottime possibilita’ per lo studio dei sistemi di quarkonio, misurando i parametri che entrano nella descrizione di questi sistemi nell’ambito delle teorie effettive.

I risultati sperimentali sulle oscillazioni di neutrino hanno prodotto degli sviluppi molto interessanti nell’ultimo decennio. La scoperta che non tutti i neutrini hanno massa nulla ma che le loro masse sono molto piccole ha aperto un nuovo dominio di ricerca. dedicata alla misura e all’interpretazione delle masse e dei mixing dei neutrini. L’interpretazione piu’ plausibile del fatto che le masse dei neutrini sono cosi’ piccole e’ che i neutrini sono particelle di Majorana e che le loro masse sono inversamente proporzionali alla scala dove la conservazione del numero leptonico (L) e’ violata. Dall’esperimento si ottiene che questa scala e’ notevolmente prossima alla scala di Grande Unificazione, cosicche’ i neutrini hanno fornito un ulteriore sostegno all’idea dell’unificazione. E’ stata considerata la possibilita’ interessante che l’asimmetria barionica osservata nell’Universo si ottenga per leptogenesi dal decadimento dei neutrini destrogiri pesanti e si e’ dimostrato che il valore osservato dell’asimmetria e’ perfettamente compatibile con i valori osservati delle frequenze di oscillazione. Inoltre lo studio delle masse e dei mixing dei neutrini puo’ fornire nuovi importanti elementi, oltre alla matrice di CKM, per decifrare i meccanismi finora completamente oscuri che determinano la struttura peculiare delle masse e dei mixing dei fermioni. In realta’ si trova che i mixing dei quark e dei leptoni sono qualitativamente differenti. Infatti mentre i mixing dei quark sono tutti piccoli, per i neutrini due angoli di mixing sono grandi mentre il terzo e’ piccolo. Quindi lo studio dei principi dinamici che possono spiegare in modo naturale la struttura osservata delle masse e dei mixing dei fermioni e’ molto importante e assolutamente non banale. E infatti questo soggetto e’ stato molto studiato negli ultimi anni [3]. Al momento i valori delle frequenze di oscillazione e gli angoli di mixing dei neutrini sono noti con abbastanza precisione. Molti dei modelli proposti in passato sono stati eliminati dai dati. Ma le restanti ambiguita’ (per es. la scala assoluta delle masse, la gerarchia normale o inversa dello spettro) lasciano ancora una considerevole liberta’ e la ricerca delle piu’ efficaci simmetrie di sapore o dei principi dinamici capaci di riprodurre i dati e’ ancora molto aperta.
Lo studio delle densita’ dei partoni, della loro forma e della loro evoluzione con la scala e’ importante in se stesso, per la conoscenza della struttura del protone ma anche come uno strumento per la predizione dei processi adronici e quindi, in particolare e’ essenziale per la fisica al LHC. Nel settore delle densita’ di partoni non polarizzati direzioni di ricerca molto attive vertono sulle risommazioni e sulle strategie per una ottimale estrazione della informazione contenuta nei dati: per esempio, nella nostra Collaborazione e’ stato ricavato dai dati un set di densita’ di partoni usando un approccio basato sulle reti neuronali. Il problema della comprensione teorica delle densita’ dei partoni e della loro evoluzione a piccoli valori di x ha ricevuto molta attenzione negli ultimi anni in relazione ai dati di HERA. Nel settore di singoletto il problema principale e’ stato quello di ottenere una riformulazione ragionevole della espansione di BFKL e della sua connessione con la normale evoluzione in QCD in modo da ottenere una funzione di splitting migliorata, valida cioe’ sia a grandi che piccoli valori di x. Si puo’ senz’altro affermare che nella nostra Collaborazione c’e’ una competenza di alto livello in questo settore e importanti risultati sono stati da noi ottenuti negli ultimi anni che hanno condotto ad una soddisfacente soluzione del problema [4]. Un notevole lavoro rimane da fare per applicare il formalismo generale alla fenomenologia di interesse. Per le densita’ polarizzate il problema che da tempo si pone e’ la distribuzione dello spin del protone tra le diverse specie di partoni. Come e’ noto solo una piccola parte dello spin e’ portato dai quark. La parte restante deve necessariamente essere suddivisa tra i gluoni, il momento angolare orbitale e, forse, i quark ma a valori di x cosi’ piccoli che non cadono nell’intervallo delle misure. Il contributo dei gluoni e’ particolarmente interessante in quanto il primo momento della densita’ dei gluoni, che cresce logaritmicamente con Q2, potrebbe essere grande come effetto dell’anomalia assiale. Il vecchio problema di misurare la frazione di spin portata dal gluone ha ora delle buone possibilita’ di essere risolto con i risultati attesi da COMPASS al CERN e dalle misure con fasci polarizzati di protoni a RHIC. Quindi ci attendiamo che una fase interessante di analisi teorica di questo problema seguira’ e noi abbiamo le competenze specifiche e una lunga esperienza in materia nella nostra Collaborazione [5]. A COMPASS verra’ anche eseguita la prima misura dell’asimmetria di trasversita’ e noi siamo pronti a contribuire anche in questo settore finora completamente inesplorato. <<<