Cosmo e Particelle (Introduzione alla scoperta del Bosone di Higgs)

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1 Cosmo e Particelle (Introduzione alla scoperta del Bosone di Higgs) Marco G. Giammarchi Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Via Celoria Milano (Italy) marco.giammarchi@mi.infn.it Outline: 1. Le Particelle fondamentali 2. Le Forze fondamentali 3. L Universo a particelle 4. Il Modello Standard ( M. Fanti, 22/11/2012) 1

2 1. Le Particelle fondamentali Cosa abbiamo imparato (a scuola)? Materia: composta da costituenti fondamentali: Molecole, Atomi, Nuclei Molecole: costituenti della materia Ossigeno Ipotizzate per comprendere la Chimica Leggi di Dalton e di Avogadro ( ) Idrogeno Idrogeno Dimostrazione sperimentale finale: Perrin (1911) m 2

3 A loro volta le Molecole sono composte da Atomi Atomo = Nucleo, Elettroni Nucleo = Protoni, Neutroni L Elettrone: una particella davvero elementare Diversi tipi di atomi: La Tavola Periodica 3

4 Parmenides (circa 500 AC), Zenon (circa AC): l esperienza della molteplicità è negabile. La materia è divisibile e suddivisa all infinito. La divisione infinita della estensione fornisce come risultato zero, il niente, e quindi la molteplicità in cui consiste l estensione corporea non esiste, è opinione illusoria. Demokritos (circa AC): l esperienza della molteplicità è innegabile La materia è suddivisa ma non all infinito. A-tomos, indivisibile. Venne introdotto per fermare il processo di riduzione al nulla dell estensione spaziale (Parmenide, Zenone). L atomo è il punto in cui tale processo si ferma. Il senso in cui tutto ciò era inteso è diverso dal senso moderno di scienza. La Fisica delle Particelle come scienza moderna inizia nel 1930 circa. 4

5 A loro volta i protoni e i neutroni sono composti da: I quark (costituenti un protone o un neutrone) sono particelle elementari quark quark PROTONE quark m m Le particelle elementari sono quelle che costituiscono tutte le altre e che non hanno una loro struttura interna. Sono i mattoni costruttivi dell Universo 5

6 Costituenti fondamentali della materia: Quark e Leptoni Sono elementari al meglio di m Materia ordinaria Hanno spin e carica ben definiti Costituiscono la materia in condizioni ordinarie Costituiscono le particelle instabili Decadono in particelle stabili M a s s a 6

7 Come si studiano le particelle elementari? Ad esempio in esperimenti con acceleratori di particelle. Ricetta: prendere particelle cariche accelerarle con sistemi elettrici e magnetici (acceleratori) farle urtare tra loro Tunnel di LHC, CERN (Ginevra) Nei grandi laboratori sistemi complessi di acceleratori portano particelle a energie elevatissime Negli urti tra queste particelle, altre particelle vengono prodotte. Massa si trasforma in energia e viceversa 7

8 Esperimenti su particelle ai grandi acceleratori: Sistemi complessi composti da rivelatori specializzati ATLAS al CERN di Ginevra CMS al CERN di Ginevra CDF al Fermilab (Chicago) 8

9 Le particelle elementari, urtandosi tra di loro, creano altre particelle Continua trasformazione di energia in massa e viceversa E = mc 2 9

10 2. Le Interazioni fondamentali Quali sono le forze che tengono insieme gli atomi e i nuclei? L atomo di Idrogeno (deuterio) I quark stanno insieme nel nucleo p = (u, u, d ) n = (u, d, d ) m Il nucleo e gli elettroni sono legati tra loro m Quarks, elettroni, fotoni come particelle fondamentali nell atomo 10

11 Le forze fondamentali in natura Gravità Forza nucleare forte Forza nucleare debole Elettromagnetismo Idea guida: spiegare tutti i fenomeni fondamentali con queste interazioni 11

12 Il concetto di forza In fisica classica: In fisica quantistica Azione istantanea a distanza Campo (Faraday, Maxwell) Scambio di quanti k F= 2 r 12

13 Elettromagnetismo Riguarda tutte le particelle dotate di carica elettrica (quark, leptoni, W) Responsabile del legame tra particelle cariche:ad esempio la stabilita atomica Costante di accoppiamento: carica elettrica Raggio di azione della forza: infinito La teoria classica: equazioni di Maxwell (1861) νµ ν F = J µ µ Fνρ + ρ Fµν + ν Fρµ = 0 F: Tensore campo elettromagnetico J: 4-corrente 13

14 Gravità Riguarda tutte le forme di energia (tra cui la massa) dell Universo Responsabile del legame tra corpi macroscopici Teoria di campo classica (Newton, 1687) per le masse. Potenziale gravitazionale 2 φ = 4π G ρ Densita di massa Teoria di campo geometrizzata (Einstein, 1915) Relativita Generale Il principio di equivalenza tra massa inerziale e massa (carica) gravitazionale ha permesso di considerare la gravita come una proprieta del background spaziotemporale) Tensore di Einstein Costante cosmologica Gµν + g µν Λ = Lontano da masse/energie (spaziotempo piatto) gαβ ( x) η µν Tensore Energia-Momento 8π G Tµν c = Tensore Metrico Gµν = Gµν ( θ ε gαβ ) 14

15 Forza Nucleare Debole Riguarda quark e leptoni (portatori di una carica debole ) Di norma il processo Debole e trascurabile perche processi Elettromagnetici e Nucleari Forti hanno il sopravvento. I processi Deboli sono invece la norma quando: Vengono violate leggi di conservazione (conservate nelle interazioni EM o Forti) Intervengono particelle non cariche e/o prive di Interazione Forte Interazioni deboli a corrente carica: decadimento beta dei nuclei: A( Z, N ) ﾮ nﾮ A( Z + 1, N 1) + e + ν e p + e + ν e d ﾮ u + e + ν e (a livello di nuclei) (a livello del neutrone libero) (a livello dei costituenti fondamentali) 15

16 La Forza Nucleare Debole ha un ruolo importante nelle reazioni di fusione che avvengono all interno del Sole Planetario di Milano - 21 Febbraio

17 Reazioni nucleari nel Sole: il ciclo pp 99,77% 0,23% p + p d+ e+ + νe p + e - + p d + νe 84,7% d + p 3He +γ ~ % 13,8% He + 4He 7Be + γ 3 13,78% Be + e- 7Li + νe Be + p 8B + γ 7 He+3He α+2 p 3 Li + p ->α+α 7 0,02% 7 B 8Be*+ e+ +νe 3 He+p α+e+ 2α +νe 8 Planetario di Milano - 21 Febbraio

18 Forza Nucleare Forte Agisce tra i quark che costituiscono gli adroni PROTONE Responsabile della stabilità degli adroni (barioni, mesoni) Si attribuisce ai quark una carica (il colore) NEUTRONE Mediata dai GLUONI Mediata dai GLUONI 18

19 Le Interazioni Fondamentali Gravità Elettro magnetismo Debole Forte Gravitone Fotone W,Z 8 Gluoni Spin Massa ,91 GeV 0 Range m m Source Mass Electric charge Weak charge Color Coupling Constant (proton) / GeV Cross Section cm cm cm2 Lifetime for decay s 10-8 s s 19

20 3. L Universo a particelle Lo schema con cui si descrive la nascita e l evoluzione dell Universo è quello del BIG BANG CALDO La creazione di Adamo Michelangelo Buonarroti (1511). (Musei Vaticani - La Cappella Sistina) 20

21 Il modello del Big Bang: 1) 2) 3) 4) 5) Il red-shift (espansione cosmica) La nucleosintesi primordiale La radiazione cosmica di fondo La Relatività Generale L Inflazione Osservazioni sperimentali Teoria della Gravitazione Se l Universo è in espansione, nei primi istanti ci si doveva trovare in una situazione di densità altissima, temperatura altissima, energia/particella altissima Planetario di Milano - 27 Ottobre

22 Particelle/Antiparticelle libere Una storia termica dell universo Planetario di Milano - 27 Ottobre

23 Particelle/Antiparticelle libere e e γ γ + γ e+e Queste reazioni creano e distruggono particelle/antiparti celle in ugual numero p p πππ Quando l energia scende non è più possibile creare coppie particella/antiparticella. Invece tali coppie si possono distruggere: e+e γ γ γ e + e NO Una storia termica dell universo Planetario di Milano - 27 Ottobre

24 Particelle/Antiparticelle libere 1) particella + antiparticella energia 2) energia particella + antiparticella Reazioni di questo tipo dovrebbero aver mantenuto uguale il numero di particelle e antiparticelle Al diminuire di T solo la 1 resta possibile e tutte le particelle/antiparticelle si annichilano in energia Una storia termica dell universo Planetario di Milano - 27 Ottobre

25 Ma l Universo non è vuoto. Contiene MATERIA e non ANTIMATERIA! Un processo fisico ha alterato il rapporto tra materia e antimateria nei primi istanti, creando un poco (pochissimo) di materia in più Planetario di Milano - 27 Ottobre

26 Acceleratori terrestri e cosmici Affinche sia possibile creare/distruggere particelle elementari, occorre fornire energia concentrata in dimensioni piccolissime. Questo avviene negli acceleratori di particelle terrestri. O negli acceleratori cosmici. Acceleratore di particelle Pulsar 26

27 Tra gli acceleratori galattici piu efficienti. I Nuclei Galattici Attivi (AGN s) Un AGN puo accelerare particelle che attraversano milioni di anni luce di spazio (che e quasi vuoto) Le particelle accelerate dagli AGN possono raggiungere il Sistema Solare e la Terra. e possono interagire nell atmosfera. Sono i Raggi Cosmici 27

28 4. Modello Standard Una discussione introduttiva Il Modello Standard e una descrizione fisica delle particelle elementari e delle interazioni che avvengono tra di loro Si tratta di una delle piu grandi conquiste concettuali del secolo scorso, frutto dello sforzo teorico e sperimentale di migliaia di fisici Il Modello Standard descrive i costituenti elementari e in modo rigoroso ed essenzialmente completo (ed unificato) l interazione elettromagnetica e debole. In modo rigoroso ma non ancora completo anche le interazioni forti Il Modello Standard descrive particelle che sono state tutte osservate sperimentalmente (il più recente: IL BOSONE DI HIGGS) 28

29 Le Interazioni Fondamentali Gravità Elettro magnetismo Debole Forte Gravitone Fotone W,Z 8 Gluoni Spin Massa ,91 GeV 0 Range m m Source Mass Electric charge Weak charge Color Coupling Constant (proton) / GeV Cross Section cm cm cm2 Lifetime for decay s 10-8 s s 29

30 Proprietà dei costituenti: Quark: carica elettrica colore massa efficace spin (1/2) Leptoni: carica elettrica massa spin (1/2) IMPORTANTE: Tutti i costituenti (Quark, Leptoni) sono Fermioni. 3 famiglie Costituenti della materia Portatori di forza 30

31 Nel Modello Standard la funzione (di Lagrange) si potrebbe scrivere come : L = LFORTI + LEM / DEBOLE + M Interazioni tra i costituenti Costituenti In questo modo le masse dei costituenti scritte in modo esplicito nella funzione di Lagrange del Modello Standard..MA questa Lagrangiana è non rinormalizzabile (non trattabile matematicamente)!! 31

32 Il Meccanismo di Higgs è stato proposto per introdurre le masse dei costituenti fondamentali (e del W,Z) in modo che la teoria fosse trattabile. L = LFORTI + LEM / DEBOLE + L(h) Potenziale di Higgs Questo termine è in grado di generare masse senza violare le proprietà di rinormalizzabilità della teoria. Se il meccanismo di generazione delle masse è quello ipotizzato da Peter Higgs (e Brout, Englert, Kibble, Guralnik, Hagen) nel 1964, allora si deve osservare una particella a spin 0 (bosone) del tutto nuova. 32

33 Interazioni del Bosone di Higgs con le altre particelle della teoria La ricerca del Bosone di Higgs iniziò (al Fermilab e) al CERN negli anni 90 33

34 La scoperta del Bosone di Higgs (2012) l ipotesi teorica viene confermata sperimentalmente 48 anni dopo la sua formulazione! Un successo epocale per la Fisica delle Particelle (Giovedì, stessa ora, stesso posto. Uno dei protagonisti di questa scoperta ce la racconterà in dettaglio) Tutte le particelle del Modello Standard sono state osservate e tre delle quattro interazioni fondamentali vengono descritte in un quadro unificato e coerente. 34

35 un altro capitolo della comprensione di infinitamente piccolo e infinitamente grande l 4300 Mpc 18 l = 10 cm t =10 23 s t = y Grazie della vostra attenzione 35