IL MONDO DELLE PARTICELLE ELEMENTARI E I RAGGI COSMICI. Paola Giacconi

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1 IL MONDO DELLE PARTICELLE ELEMENTARI E I RAGGI COSMICI Paola Giacconi December 7, 2009

2 Le questioni che affronta il fisico moderno sono le stesse che hanno guidato lo sviluppo del pensiero filosofico nel corso dei millenni

3 Come funziona l universo? Da dove viene? Dove va?...ed ancora...

4 Quali sono i componenti ultimi della materia? Come si muovono? Cosa li muove?...per fare ció DOBBIAMO...

5 identificare POCHI PRINCIPI fondamentali dai quali derivare le proprietá di TUTTI I FENOMENI NATURALI

6 MACROCOSMO d > 10 8 m UOMO 10 8 < d < 10 8 m MICROCOSMO d < 10 8 m

7 DOBBIAMO IDENTIFICARE 1. I COSTITUENTI ELEMENTARI 2. le forze che governano il loro comportamento INTERAZIONI FONDAMENTALI

8 Empedocle ( a.c) 1. componenti: aria, acqua, terra, fuoco 2. forze: aria e fuoco spinte verso l alto, terra e acqua spinte verso il basso

9 ... etá ellenistica Democrito ( a.c.), Aristotele ( a.c.), Archimede ( a.c.), Eratostene ( a.c.), Ipparco di Nicea ( a.c.), Aristarco di Samo ( a.c.) (primo sostenitore di una teoria eliocentrica!!!)...dopo 1600 anni...

10 Galileo ( ), Newton ( ), Maxwell ( ), Planck ( ), Einstein ( ), Schrödinger ( ) Pauli ( ), Heisenberg ( ), Fermi ( ), Dirac ( ), Feynman ( ), Hawking (1942,...)...voi conoscete: atomi...

11 atomo d 10 8 cm nucleo d cm protone d cm elettrone d cm d a = 10 8 d e!

12 SE d nucleo 5cm ALLORA r I e 2km Polveri Sottili 1 < PM 10 < 10µm PM d a

13 m p = kg. = 938 MeV c 2 m n = kg. = 939 MeV c 2 m e = kg. = MeV c 2 1eV/c 2 = (15) kg... c é molto di piú...

14 ..la piú grande rivoluzione.. RELATIVITÁ E = mc 2 c = ms 1 MECCANICA QUANTISTICA q p > h h = 1, (18) Js (i / m) ψ = 0

15 4(3) INTERAZIONI 1. Gravitá p-p Forza debole Elettromagnetismo Forza nucleare forte 1

16 GRAVITÁ Newton Einstein F = G M 1M 2 r 2 ˆr R µν 1 2 g µνr = 8πG c 4 T µν G = 6,6742(10) m3 kgs 2

17 ELETTRO MAGNETISMO Maxwell µ F µν = 4π c jν ǫ ραµν α F µν = 0

18 FORZA DEBOLE Fermi n p + + e + ν e FORZA ELETTRO DEBOLE Glashow, Weinberg, Salam, Rubbia

19 FORZA NUCLEARE FORTE Fermi,Yukawa, Gross-Politzer-WilczeK basse energie E 1 KeV V (r) = g e( r/r 0) r alte energie E 100GeV e molto veloci contro p-n

20 26?? COSTITUENTI ELEMENTARI 6 Leptoni 6 Quarks 12+1 (?) Bosoni intermedi 1 Bosone scalare?

21 6 LEPTONI 1. e m e GeV ν e 0 <m νe < 10 9 GeV 2. µ m µ 0,1 Gev ν µ 0 <m νµ < 10 9 GeV 3. τ m τ 1,8 Gev ν τ 0 <m ντ < 10 9 GeV

22 Q e = Q µ = Q τ = e Q νe = Q νµ = Q ντ = 0 L e = L νe = 1 L e + = L νe = 1 L µ = L νµ = 1...

23 6 QUARKS sapori 1. up m u GeV down m d GeV 2. charm m c 1.5GeV strange m s 0.5GeV 3. top m t 175GeV bottom m b 4.5GeV

24 Q u = Q c = Q t = 2 3 e Q d = Q s = Q b = 1 3 e sapore 3 colori: rosso blu verde sapore un antisapore 3 anticolori: antirosso antiblu antiverde

25 ADRONI sono composti da quarks MA NON hanno colore barioni 3 quarks p(uud) n(udd) mesoni 2 quarks q q

26 la massa degli adroni NON é interamente dovuta alle masse dei quarks che li compongono gran parte della massa é fornita dall energia d interazione che tiene insieme l adrone m p 100 (2m u + m d )

27 12+1? BOSONI INTERMEDI 1) fotone γ neutro mediatore int e.m. m γ 0 0 < r int = h m γ c <

28 2)? gravitone g neutro non sono state rivelate ancora neppure le onde gravitazionali! mediatore della gravitá m g 0 0 < r int = h m g c <

29 3) W ± Z 0 mediatore int debole m W = (80.425±0.038)GeV m Z = (91.187±0.002)GeV 0 < r int = h cm W ± < m

30 4) 8 gluoni con carica di colore Q C D mediatori int forte m gl 0 0 < r int = h cm gl <!!?? confinamento? libertá asintotica!

31 ? BOSONE SCALARE? LHC 8TeV...?? bosone scalare neutro di Higgs H 0 Per dare massa ai bosoni intermedi W ± Z 0 80 <m H 0 < 200GeV

32 BOSONI seguono la statistica di Bose-Einstein hanno spin intero S γ = 1 S g = 2 S W ± = S Z 0 = 1 S H 0 = 0 LE INTERAZIONI SONO MEDIATE DAI BOSONI NON vale il principio di esclusione di PAULI

33 LEPTONI e QUARKS sono FERMIONI seguono la statistica di Fermi-Dirac hanno spin semiintero S = 1 2 LA MATERIA É FATTA DI FERMIONI vale il principio di esclusione di PAULI

34 QUARKS hanno TUTTI i tipi di interazione LEPTONI NON hanno l interazione FORTE LEPTONI NEUTRI hanno solo interazione DEBOLE e gravitazionale fine prima puntata...

35 ...seconda puntata Alcune domande per voi A quali interazioni sono soggetti i neutrini? 2. Quale interazione ha mediatori di grande massa?

36 3. Quali interazioni agiscono sui protoni dentro di te? 4. Quali mediatori di forza non possono essere isolati? E perché? 5. Quali mediatori di forza non sono ancora stati osservati?

37 Perché molte particelle non sono di questo mondo? Il mondo che ci circonda é composto dai tipi MENO massivi di particelle in quanto le particelle di grande massa DECADONO in quelle di massa minore a causa delle interazioni deboli!

38 Dove possiamo vedere tutti gli altri costituenti elementari oltre ai p, n, e? Come possiamo sperimentare le interazioni forti e deboli? ACCELERATORI RAGGI COSMICI!!! prima fonte di nuove particelle µ, π, K,...

39 I RAGGI COSMICI PERCHE STUDIARLI 1. Possono essere, come in passato, messaggeri di nuova fisica o di particelle ancora sconosciute.

40 2. E RC fino ed oltre ev I RC di altissima energia EEE sono la prova dell esistenza di potenti acceleratori di natura astrofisica come supernovae, nuclei galattici attivi e possono essere usati per lo studio degli ANG, supernove...

41 3. RC si propagano attraverso l Universo e pertanto possono dare informazioni sulle proprietá dei siti astrofisici coinvolti: campi magnetici, densitá di materia, ammassi stellari...

42 4. La loro composizione chimica, modulata dalla loro propagazione, riflette i processi di nucleosintesi che si verificano alle sorgenti

43 5. Utili per verificare le leggi della fisica in condizioni estreme: violazione dell invarianza di Lorentz?? Origine e natura dei raggi cosmici di altissima energia?

44 Questioni importanti 1. Sono sempre esistiti? 2. Di cosa sono composti? 3. Da dove vengono? 4. Come possiamo vederli?

45 (1) Sono sempre esistiti? da sempre un flusso CONTINUO ed ISOTROPO di circa 1000 particelle/m 2 s sulla sommitá dell atmosfera accelerate probabilmente da campi magnetici intergalattici e da onde d urto dovute ad esplosioni di supernove

46 1912 Victor Hess ne fu lo scopritore Nobel per la fisica nel Millikan dá loro il nome raggi cosmici ma pensava fossero raggiγ 1929 Bothe Kohlhörster ne comprende la natura corpuscolare

47 1933 Blackett ed Occhialini rivelarono il primo sciame 1938 Auger e Maze usando piú contatori Geiger rivelarono particelle secondarie appartenenti ad uno stesso raggio primario da allora non si é piú smesso

48 Ordini di grandezza fino E ev Flusso = 1/(km 2 secolo) Densitá di particelle a terra particelle/m 2 a 1.5km dall asse dello sciame

49 Dimensione dello sciame a terra 20 km 2 Spessore del fronte dello sciame: da 0.2µs a 1.0µs ad 1km dall asse dello sciame

50 (2) Loro composizione? Raggio primario (10 < E < 100 Gev) 92% protoni ( E!!) 6% particelle α(np) 2% γ, ν, e nuclei pesanti Fe (EEE)

51 (3) Da dove vengono? questione aperta < E < MeV!!? E = ev 50 J un corpo di 1 kg che cade da 5 m di altezza...!!?

52 SE 10 < E < 100MeV probabilmente protoni solari T in K E in = kt 10 3 ev E ion gas 1 10eV

53 E in >> E ion (H 2 ) Escono dal SOLE protoni LIBERI che accelerati da campi magnetici attraversano l atmosfera ed arrivano a terra TRASFORMATI

54 SE 10 5 < E < ev probabilmente sorgente nella galassia SE < E < ev probabilmente sorgente extra galattica

55 SE < E < ev UHECR-EEE Lab. Pierre Auger 2008 individuata una possibile sorgente entro 71Mpc Nuclei Galattici Attivi ANG 1particella/(km 2 sr secolo) apparato di 3000km 2 30 eventi/anno accordo con il limite GKZ

56 LIMITE GKZ p + γ CBR + p + π 0 p + γ CBR + n + π + la soglia per la produzione di una + in quiete sará c 2 (P µ + K µ ) 2 c 4 M 2 +

57 con: g µν = diag(+,,, ) P µ = (P 0, P) 4 impulso p K µ = (K 0, K) 4 impulso γ CBR K µ K µ = 0 c 2 K 2 = K0 2 = ( hω) 2 m m nucleone M M +

58 si ha: c 2 (P µ + K µ ) 2 = (E p + hω) 2 c 2 ( P + K) 2 = E 2 p + 2E p hω + ( hω) 2 c 2 P 2 c 2 K 2 2cPK cos θ = E 2 p + 2E p hω c 2 P 2 2cPK cos θ = m 2 c 4 + 2E p hω 2cP hω cos θ = 2 hω(e p cp cos θ) + m 2 c 4

59 Se sciegliamo il riferimento solidale con la risonanza + si ha θ = π da cui: ( c 2 P 2 + m 2 c 4) 1/2 + cp M 2 m 2 c 4 2 hω protoni ultrarelativistici: P 2 >> m 2 c 2 quindi: 2cP 2E p M2 m 2 2 hω c 4

60 inoltre M m + m π E p m2 π + 2m π m c 4 4 hω m πm 2 hω c4 essendo T γcbr 2,726 o K ENERGIA di SOGLIA E p m πm c 4 2kT γcbr ev

61 inoltre se indichiamo con: σ (1 10)µb sezione d urto e.m. del p UHECR con γ CBR n N V = ζ(3) π 2 ( kt hc ) 3 400cm 3 densitá di γ CBR λ libero cammino medio del p UHECR si ha: λ = 1 nσ 100Mpc

62 Ricordiamo 1pc = m = 3.26 anni luce d 10 4 pc R G 25Kpc D GP 700Kpc

63 ...noi cosa vediamo..? le particelle cariche N nella materia perdono energia per irraggiamento: cariche accelerate irraggiano energia de = 2e2 3c 3 a 2 dt 90% ionizzazione: urti di alta energia con atomi e nuclei dell atmosfera

64 Urti p+p p+n+π + forte p+p π + +π + forte p+n π + +π 0 forte

65 Decadimenti n p + +e + ν e debole π 0 γ + γ e.m. π + µ + + ν µ debole µ e +ν e + ν µ debole

66 Vita media τ n = (885.7 ± 0.8)s 15 τ π = ( ± ) 10 8 s τ µ = ( ± ) 10 6 s τ p > anni τ U 1 H 0 = (13.7 ± 0.8) 10 9 anni

67 per vedere le paricelle si usano i rivelatori la particella lascia la sua traccia attraversando il rivelatore dalla traccia si determina energia e provenienza anche del N primario e T della sorgente

68 questioni aperte per UHECR-EEE loro composizione spettro per E > ev e limite GKZ Greisen Kuzmin Zatsepin anisotropia

69 interazioni adroniche per E ev >> E LHC misura di campi magnetici galattici ed extra galattici

70 alcuni esperimenti Volcano Ranch New Mexico, 1962 Haverah Park UK, Yakutsk Siberia, 1989

71 Fly s Eye Utah, 1991 AGASA Japan, Osservatorio Pierre Auger Mendoza Argentina osservatorio di 3000km 2 in funzione...e...

72 PROGETTO EEE rivelatori MRPC dislocati su tutto il territorio nazionale... buon lavoro...!