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ATLAS Thesis Award 2022: Premio a Giuseppe Carratta e Guglielmo Frattari !
Ogni anno la collaborazione ATLAS premia le migliori tesi di dottorato prodotte nell’ultimo anno da parte di tutti gli istituti a livello mondiale che collaborano all’esperimento ATLAS. Nell’edizione di quest’anno non ha vinto un italiano….
Hanno vinto ben due italiani !
Si tratta di Giuseppe Carratta e Guglielmo Frattari che hanno conseguito il loro dottorato rispettivamente presso l’Universita di Bologna e l’Università di Roma “La Sapienza”.
La tesi di Giuseppe Carratta dal titolo Search for Type-III See Saw heavy leptons in leptonic final states using proton-proton collisions at √s = 13 TeV with the ATLAS detector ricerca segnali di fisica oltre il Modello Standard nei dati raccolti da ATLAS durante la presa dati del Run2 (dal 2015 al 2018). In questo caso, a guidare la ricerca sono neutrini ad alta massa. Al momento nel Modello Standard sono presenti tre tipi di neutrini con una massa molto piccola (e ancora non misurata). Questi neutrini sono i componenti elettricamente neutri della famiglia dei leptoni. I componenti elettricamente carichi della famiglia dei leptoni sono, per esempio gli elettroni ed i suoi fratelli maggiori più pesanti come il muone ed il leptone tau. Per giustificare la piccola massa dei neutrini rispetto alle altre particelle del Modello Standard, sono stati creati dei modelli teorici chiamati See-Saw (altalena, in inglese) che prevedono l’esistenza di un altro tipo di leptoni, molto più pesanti dei neutrini del Modello Standard, addirittura con massa maggiore dei pesi massimi del Modello Standard (il quark top ed il bosone di Higgs).
Nella sua tesi, Giuseppe, ha cercato leptoni pesanti, sia neutri che carichi, prodotti dalle collisioni protone-protone di LHC. Questi leptoni possono decadere in leptoni del Modello Standard ed i bosoni W/Z oppure nel bosone di Higgs che successivamente decadono. Gli stati finali selezionati sfruttano le eccellenti qualità di ricostruzione e di identificazione dei leptoni in ATLAS richiedendo eventi con 2,3 fino a 4 leptoni carichi (elettroni o muoni) ricostruiti. Questi eventi sono stati selezionati sfruttando le proprietà cinematiche dell’evento in modo da massimizzare il rapporto tra l’ipotetico segnale e gli eventi di fondo attesi prodotti da fenomeni noti del Modello Standard.
Gli eventi selezionati da Giuseppe, possono essere imitati da processi ben noti del Modello Standard, come la produzione di due o più vettori bosoni (produzione WW, WZ oppure ZZ). Il loro contributo è stimato sia dalle simulazioni Monte Carlo che dall’identificazione di categorie di controllo, dove il contributo dell’ipotetico segnale è trascurabile rispetto ai ben noti processi prodotti del Modello Standard. Gli eventi di segnale vengono cercati in specifiche regioni dove il contributo degli eventi di fondo è minori ed è comunque noto con sufficiente precisione. Come riportata nella figura qui sopra, non viene osservata nessuna discrepanza tra il numero di eventi effettivamente raccolti da quelli attesi. Pertanto è stato possibile escludere, sulla base del modello teorico, masse di questi leptoni pesanti fino a 910 GeV.
La tesi di Guglielmo Frattari dal titolo Investigating the nature of dark matter and of the Higgs boson with jets and missing transverse momentum at the LHC lega la ricerca della natura della materia oscura con il bosone di Higgs (scoperto nel 2012). Si tratta di due interessanti questioni attuali del Modello Standard delle particelle elementari. Il Modello Standard non descrive la materia oscura, le cui interazioni con la materia ordinaria sono state solo osservate indirettamente tramite misure astrofisiche e cosmologiche. Se fosse prodotta al Large Hadron Collider nelle collisioni protone protone, l’esperimento ATLAS non sarebbe in grado di misurarne le interazioni, dunque lascerebbe l’esperimento senza essere rilevata; pertanto uno dei modi possibili di osservare la produzione di tali particelle è quello di cercare di osservare collisioni in cui delle particelle del Modello Standard sono prodotte insieme ad una porzione significativa di energia mancante rispetto a quella dello stato iniziale delle collisioni, apparentemente violando la conservazione dell’energia.
Nella sua tesi, Guglielmo ha studiato questi eventi, confrontando le predizioni del Modello Standard con gli eventi raccolti dall’esperimento ATLAS nel corso del Run2 (2015-2018). Tramite una analisi statistica dei dati, e lo studio approfondito delle sorgenti di incertezza sistematica, è stato possibile stimare gli eventi attesi con una precisione tra l’1.2% ed il 4%, fornendo una sensibilità senza precedenti a processi di nuova fisica, come la produzione di particelle di materia oscura, particelle predette da teorie supersimmetriche, o decadimenti del bosone di Higgs in particelle invisibili.
Confronto tra le predizioni Monte Carlo del modello standard per eventi ‘mono-jet’, rappresentate dalla somma delle aree colorate, ed i dati misurati dall’esperimento ATLAS (punti neri) in funzione dell’energia mancante misurata nel piano trasverso all’asse dei fasci. Le diverse linee tratteggiate indicano il numero di eventi attesi per diverse modelli di nuova fisica. Nella parte inferiore del grafico è mostrato il rapporto tra gli eventi misurati e quelli attesi. La dimensione delle bande rappresenta l’errore sulle predizioni. Figura da Phys. Rev. D 103 (2021) 112006 (https://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/PAPERS/EXOT-2018-06/)
Tramite eventi con jet adronici (emissioni collimate di particelle adroniche di alta energia) ed energia mancante, Guglielmo ha anche potuto studiare le caratteristiche del bosone di Higgs nel principale canale di decadimento in due quark b, il quale avviene circa il 58% delle volte. Dopo l’osservazione di questo decadimento, riportata indipendentemente nel 2018 dalle collaborazioni ATLAS e CMS, l’interesse della comunità si è rivolto verso misure delle proprietà del bosone di Higgs e della probabilità di produzione di questa particella in diversi regimi. Nella seconda parte della sua tesi Guglielmo ha studiato come ottimizzare la sensitività a questo tipo di decadimenti, ed ha misurato la sezione d’urto della produzione di due b-quark ed energia mancante, interpretabile a sua volta nel modello standard di produzione di un bosone di Higgs insieme ad un bosone vettore W o Z, i cui prodotti di decadimento non sono misurati.
Entrambi i processi studiati da Guglielmo nella sua tesi sono facilmente imitabili da processi noti del modello standard, come la produzione di un bosone W o Z insieme a uno o più jet adronici. Per questo motivo, parte del suo lavoro è stato incentrato anche sullo studio e la validazione di nuove simulazioni Monte Carlo, sviluppate da diversi gruppi teorici e destinate ad essere utilizzate da tutta la collaborazione ATLAS. (https://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/PAPERS/PMGR-2021-01/)
Un ottimo viatico per la continuazione del Run3!
Per maggiori informazione, le due tesi sono disponibili qui:
Tesi di Giuseppe Carratta: https://cds.cern.ch/record/2805679/files/CERN-THESIS-2021-306.pdf
Tesi di Guglielmo Frattari: https://cds.cern.ch/record/2802389/files/CERN-THESIS-2021-286.pdf
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