Dai quark alle galassie

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1 Dai quark alle galassie Struttura fondamentale della materia e le sue interazioni il cammino della scienza verso la comprensione delle strutture dell Universo Angelo Scribano Università di Siena Ist. Naz. Fisica Nucleare

2 Due concetti fondamentali Equivalenza massa-energia Dualismo onda-corpuscolo

3 Massa ed Energia Due quantità tanto familiari quanto complesse Principio di equivalenza fra massa e energia E = m c 2

4 E = m c 2 Esempi di trasformazione di massa Energia Fissione nucleare Fusione nucleare Esempi di trasformazione di massa Energia e Energia massa nei processi di annichilazione materia-antimateria E = m c 2 e+ e-

5 ElettronVolt (ev) Unità di misura dell energia e delle masse (molto comoda alla scala delle particelle elementari) 1 ev corrisponde all'energia acquistata da un e - accelerato da una d.d.p. di 1V 1 KeV=10 3 ev - 1 MeV=10 6 ev 1 GeV=10 9 ev - 1 TeV=10 12 ev 1V e Ma quanta energia è 1 ev? Ma quanta massa è 1 ev/c 2? 1eV = J 1 ev/c 2 = kg La massa di un protone è ~ 1 GeV = 10 9 ev La massa di un elettrone è 2000 volte più piccola ~ 0.5 MeV L energia dei protoni in LHC al Cern è 7 TeV

6 Onde e corpuscoli (luce) Molti dei fenomeni più comuni osservati per la luce possono essere spiegati come propagazione di onde. L effetto fotoelettrico suggerisce invece una natura corpuscolare (particelle) della luce. Quindi esiste una visione duale del comportamento della luce. il secondo articolo di Einstein uscito nel 1905 sui quanti di luce (o sull effetto fotoelettrico), provava la natura corpuscolare della luce (fotone con E=hν) Premio Nobel 1921 Si è poi scoperto che anche le particelle elementari (elettroni, protoni, ecc.) presentano questo comportamento duale studiato dalla fisica quantistica.

7 Onde e corpuscoli (materia) Partendo dall ipotesi che il dualismo ondulatorio-corpuscolare della luce dovesse esistere anche per la materia De Broglie suppose che, come un onda di frequenza ν e lunghezza d onda λ=c/ν si comporta come una particella che trasporta un energia pari a E = h ν (dove h=6, Js è la costante di Planck) altrettanto una particella di energia E si comporta come un onda di frequenza ν = E/h Questo è quanto si osserva nella realtà e permette di parlare indifferentemente di onde e di particelle (onde e.m e fotoni, X, γ ; onde gravitazionali e gravitoni ; etc.) a secondo della situazione sperimentale.

8 Le frontiere della conoscenza infinitamente piccolo i costituenti ultimi della materia forze le interazioni della materia infinitamente piccolo forze INFINITAMENTE GRANDE l Universo e la cosmologia INFINITAMENTE GRANDE

9 infinitamente piccolo FORZE

10 Struttura fondamentale della materia LE PARTICELLE ELEMENTARI? una storia vecchia quanto la memoria dell uomo! per più di 2000 anni l uomo è stato affascinato dalla struttura ultima della materia CONCETTO UNIVERSALE SEMPLICITA dietro COMPLESSITA della Natura

11 Analogie natura materia LINGUAGGIO acqua amore energiasole a, b, c, x, y, z Lettere alfabeto = costituenti elementari del linguaggio SISTEMA NUMERICO DECIMALE x10 5 1, ,5 3,1415 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 Cifre = costituenti elementari del sistema numerico

12 Analogie SISTEMA NUMERICO BINARIO , 1 costituenti elementari del sistema binario

13 e poi l atomo di Democrito

14 infinitamente piccolo Uno sguardo nel cuore della materia

15 infinitamente piccolo Uno sguardo più profondo

16 10-7 m infinitamente piccolo cellula 10-9 m molecola m atomo vediamo un po di dimensioni m m protone meno di m nucleo quark

17 infinitamente piccolo 4 He Esempio atomo di Elio 4 formato da: 2 protoni 2 neutroni nucleo 2 elettroni orbitanti visto secondo la struttura a quark.

18 famiglia quark leptoni 4ª? ENERGIA? (Temperatura) 3ª 2ª X quark e leptoni bottom top tau neutrino τ nella materia ordinaria X strange charm muone neutrino µ 1ª down up elettrone neutrino e

19 infinitamente piccolo Rutherford, Rutherford compie I primi esperimenti di diffusione lanciando particelle alfa (atomi di elio) contro una lamina di oro in alcuni casi la particella viene deflessa di > 90! " 1 R # angoli di deflessione più grandi se nucleo più piccolo nucleo di He atomo di ORO Il numero di particelle diffuse a grandi angoli era troppo grande per essere spiegato dal modello di Thomson modello planetario dell atomo Tutta la massa dell atomo è concentrata nel nucleo, 10-5 volte più piccolo del raggio atomico = 10-8 cm

20 infinitamente piccolo Rutherford, cento anni fa Sono 100 anni proprio questo mese da quando Ernest Rutherford ha pubblicato l articolo sull'esistenza del nucleo atomico, iniziando così molto di quello che si fa al CERN e nei grandi laboratori nel mondo. L analisi di Rutherford, basata sulle misure fatte da Hans Geiger e Ernest Marsden, ha stabilito l'esistenza del nucleo atomico ciò che appare essere materia solida è in realtà per lo più spazio vuoto (dimensioni nucleo/dimensioni atomo = /10-10 = 1 / ) Per dirla come Arthur Eddington: Se eliminiamo tutti gli spazi vuoti nel corpo di un uomo e raccogliamo i suoi protoni ed elettroni in una massa unica, l'uomo sarebbe ridotto ad una particella appena visibile con un lente di ingrandimento. Un pensiero che fa riflettere.

21 infinitamente piccolo Origine delle dimensioni eppure, qualcosa dà sostanza alla materia le forze (o interazioni) Eʼ lʼelettromagnetismo che mantiene gli elettroni, di carica negativa, a distanza dai nuclei, positivi la struttura atomica osservata da Rutherford Eʼ la forza debole responsabile della radioattività e guida i processi di fusione dellʼidrogeno nelle stelle.

22 Giochi di forze e - p + Forze a distanza Attrazione elettrostatica Attrazione gravitazionale Ma qual è il meccanismo dell azione a distanza?

23 Forza repulsiva Lo scambio di particelle è responsabile della forza

24 Forza attrattiva

25 I bosoni, mediatori delle forze Le particelle interagiscono tra loro attraverso forze Ognuna è descritta da uno scambio di una particella portatrice di forza tra le particelle materiali La particella associata si chiama bosone (dal fisico Bose) e permette alla forza di agire a distanza.

26 Forze elementari

27 ancora sulle F O R Z E Interazione Intensità Distanza (m) Mediatore Massa(GeV) forte gluoni(8) 0 elettromagnetica 1/100 fotone 0 debole 1/ W ±, Z 0 80,80,91 gravitazionale 1/10 38 gravitone 0 Interazione forte g Modello Standard Interazione Elettrodebole Elettromagnetismo Interazione debole! W + W! Z 0 Relatività Generale Gravitazione g

28 Eleganza della sintesi forti: e.m.: deboli: gravitazionali:

29 particelle e anti-particelle di materia particelle di forza ANTI-PARTICLES anti anti Si suppone che tutte le forze interagenti tra materia e materia, materia e anti-materia, anti-materia e anti-materia siano della stessa forma.

30 Anti-mondo Una volta ipotizzata e provata l'esistenza di queste anti-particelle, perché non pensare che possano anche interagire fra loro dando origine ad anti-atomi fatti da anti-nuclei? Prodotti in Lab: - atomi di anti-idrogeno (Athena-Cern 1997) - atomi di anti-elio 4 (Rhic-Brookhaven 2011) In questo caso potrebbe esistere un Universo parallelo fatto di anti-materia, anti-pianeti e anti-galassie (e anti-uomini?) che si spera non incontri mai il nostro perché in quel caso entrambi svanirebbero in una nube di energia.

31 Modello Standard

32 INFINITAMENTE GRANDE

33

34 RadioTelescopi Hubble Telescopi ottici Telescopi Hubble e Spitzer nello spazio Spitzer

35 Galassie in allontamento Nel 1929 l'astronomo Edwin Hubble, compiendo delle osservazioni su alcune galassie distanti, scoprì che esse si stavano allontanando dalla Terra a una velocità molto elevata e direttamente proporzionale alla loro distanza. Questa scoperta ha trovato successive conferme ed è alla base della teoria dell'espansione dell'universo.

36 Legge di Hubble D v v = H x D 2 D H è detta costante di Hubble 2v e il suo valore è stato calcolato sempre più accuratamente nel corso degli anni misurando v e D per molte galassie e facendone il rapporto H = v D

37 Il diagramma di Hubble (oggi) C è una relazione stretta tra velocità e distanza Un valore annunciato nel 1996 è H = 1, s -1 v Uno dei più recenti valori, ottenuto dal telescopio spaziale Hubble, è H = 2, s -1 Tenete conto che si stima che solo di Galassie ce ne siano almeno 100 miliardi! D v = H x D Queste misure danno l idea dell incertezza che affligge il valore di un parametro così importante, legato direttamente all età dell universo

38 età dell universo Che cosa ci dice tutto ciò a proposito dell'origine dell'universo? Se le galassie stanno allontanandosi l'una dall'altra, in passato devono essersi trovate molto più vicine. Per la precisione, se la loro velocità v è stata costante, allora il tempo t impiegato da due galassie scelte a piacere per venirsi a trovare separate dalla distanza D attuale è esattamente uguale alla distanza attuale divisa per la loro velocità relativa, cioè t = D = v 1 H L <età dell universo> calcolata in questo modo risulta quindi essere, semplicemente, l inverso della costante di Hubble H, detto anche «tempo di espansione caratteristico». Se H = 2, s -1 t = s = 12 miliardi di anni Se H = 1, s -1 t = 5, s = 17 miliardi di anni

39 età dell universo La vera età dell'universo è di fatto minore del tempo di espansione caratteristico perché le galassie non si sono mosse con velocità costante ma con una velocità lentamente decrescente in conseguenza della reciproca gravitazione. Oggi si stima l età dell'universo in 15 miliardi di anni! Cioè 15 miliardi di anni di anni tutto l universo doveva essere concentrato in un punto con una densità di massa elevatissima e una temperatura elevatissima!

40 Big Bang un giorno senza ieri!?

41 Alle origini dell Universo LHC: s e K

42 fino ai nostri giorni

43 Sembra tutto capito ma restano molti interrogativi e quindi molte sfide

44 Interrogativi Perché i mediatori della forza debole, W e Z, hanno massa? mentre fotoni, gluoni e gravitoni hanno m=0? Ma che cosa è la massa? Quale è il processo o meccanismo che genera la massa? I neutrini hanno massa?

45 Le sfide di oggi e del futuro Origine e natura della massa I neutrini hanno massa? Che fine ha fatto l antimateria? Cosa è la gravità? Si vedranno i gravitoni? Materia oscura, energia oscura L Universo continuerà ad espandersi? Valore piùpreciso di H Materia oscura (20%)? Energia oscura (75%)?

46 Dai quark alle galassie

47 Strumenti & Metodi Nel seguito vengono illustrate alcune delle metodologie di indagine in questo campo, sia con gli acceleratori di particelle che con i raggi cosmici in alta montagna e nello spazio.

48 strumenti di ieri

49 e di oggi Tevatron Collider a Fermilab

50 Esperimenti con acceleratori di particelle, di fatto collisori

51 Fasci di particelle ed antiparticelle vengono fatti circolare in verso opposto in un tubo a vuoto sotterraneo chiamato anello acceleratore. Dei magneti servono a fare percorrere alle particelle delle orbite circolari. CDF antiprotoni protoni TEVATRON 2 km Particelle ed antiparticelle collidono in punti lungo l'anello attorno ai quali vengono montati i rivelatori, uno dei quali è CDF. Fermi National Accelerator Laboratory, Batavia IL, USA

52 CDF - Collider Detector at Fermilab

53 LHC protoni da 7 TeV circolanti in un verso contro protoni da 7 TeV circolanti nel verso opposto + Totem

54 Aeroporto di Ginevra

55 LHC: si lavora sotto terra!

56 Il tunnel di LHC

57 Atlas

58 Cms

59 Alice per riprodurre i primi istanti dell universo, pochi milionesimi di secondo dopo il Big Bang notare dimensioni

60 Totem pp pp pp any Leading Protons measured at -220m & -147m from the CMS CMS Experimental Area (IP5) p (Also CMS is here...) TOTEM Experiment p Leading Protons measured at +147m & +220m from the CMS

61 Rivelatori di neutrini

62 Superkamiokande

63 LNGS: neutrini atmosferici e solari Sale sperimentali Tunnel autostrada AQ-TE Nel Laboratorio ci sono anche rivelatori per i neutrini che provengono dal Sole (GNO e Borexino) Illustrazione semplificata delle interazioni di raggi cosmici con l atmosfera che producono neutrini rivelati nel laboratorio Sotterraneo del Gran Sasso

64 Misura flusso neutrini solari Borexino

65 Neutrini dalla Svizzera

66 C N G S (Cern Neutrino to Gran Sasso) The trajectory La traiettoria of del the fascio neutrino di neutrini beam from CERN to lanciato the Gran dal Sasso CERN Laboratory located underneath 1400 metres of rock al Laboratorio del Gran Sasso, situato sotto 1400 metri di roccia

67 da qui partono i neutrini Sezione verticale della struttura iniziale sotterranea del CNGS

68 Esperimento OPERA 50 tonnellate di emulsioni fotografiche (pellicole Fuji) fornite dal Giappone per fotografare i neutrini

69 La mappa dei telescopi marini a neutrini Oggi: 3 esperimenti nel Mediterraneo Domani: uno solo, il km 3

70 Antares a Tolone

71 I neutrini al mare, in Sicilia!

72 al lavoro per NEMO Recupero dei cavi elettro ottici Installazione dei telai di terminazione Connessione della stazione di monitoraggio acustico ONDE Connessione della stazione SN-1

73 NEMO a Capo Passero

74 Sullo stesso cavo un monitor sismico SN-1 stazione sismica sottomarina

75 Il mistero dell antimateria

76 dov è finita l antimateria? Universo primordiale, dopo il Big Bang: Oggi, intorno a noi: tanta materia quanta antimateria solo materia! Esperimenti: Ricerca di antimateria nel cosmo Ricerca di meccanismi per spiegare sparizione antimateria

77 AMS - Alpha Magnetic Spectrometer Esperimento AMS sulla Stazione Spaziale Alpha Ricerca di antimateria nello spazio

78 AMS - Alpha Magnetic Spectrometer

79 Missione STS-134: Shuttle Endeavour

80 AMS - Alpha Magnetic Spectrometer

81 AMS - Alpha Magnetic Spectrometer

82 The AMS-02 Detector Dimensions: 7 tons and 3x3x3.5 m 3 Acceptance: 0.5m 2 sr Lifetime: min 3 years

83 AMS - Alpha Magnetic Spectrometer

84 e anche di materia oscura

85 Esperimento LHCb al Cern pp collision Misura dell asimmetria di decadimento della materia e dell antimateria

86

87 Glast il missile che lancerà Il satellite che conterrà l esperimento GLAST nello spazio

88 GLAST Large Area Telescope (LAT) Veicolo Delta II H Base di lancio Kennedy Space Center Altezza orbitale 565 Km Inclinazione orbitale 28.5 degrees Periodo orbitale 95 Minutes Data del lancio Ottobre 2007 GLAST Burst Monitor (GBM) Large Area Telescope (LAT): Rivelerà fotoni nell intervalllo 20 MeV 300 GeV. GLAST Burst Monitor (GBM): Ottimizzato per rivelari lampi gamma (GRB) e brillamenti solari.

89 GLAST è una missione internazionale NASA - DoE LAT: Stanford University (SLAC & HEPL, Physics) Goddard Space Flight Center Naval Research Laboratory University of California, Santa Cruz University of Washington Ohio State University CEA/Saclay & IN2P3 (France) ASI & INFN (Italy) Hiroshima University, ISAS, RIKEN (Japan) Royal Inst. of Technology & Stockholm Univ. (Sweden) GBM: MPE, Garching (Germany) Marshall Space Flight Center Satellite ed integrazione - Spectrum Astro (USA) Direzione Missione: NASA/GSFC Svezia Italia Francia Germania USA Giappone

90 LAT (Large Area Telescope) Tracciatore al Si a microstriscie (TKR) 18 XY piani di tracciatura. Rivelatori al Silicio a singola faccia (228 µm di passo) Misura la direzione di provenienza del fotone. γ Tracciatore Calorimetroodoscopico a CsI (CAL) Matrice di 1536 cristalli di CsI(Tl) in 8 strati. Misura l energia del fotone; ricostruisce lo sviluppo dello sciame elettromagnetico. Rivelatore di Anticoincidenza (ACD) 89 piastrelle di scintillatore plastico. Rigetta il fondo di particelle cariche; la segmentazione rimuove la possibilità di self-veto ad alta energia. Elettronica di lettura e preanalisi Include un trigger hardware flessibile e robusto ed alcuni filtri software. ACD [circonda le 4x4 torri del tracciatore] e + e Calorimetro Il sistema identifica e misura il flusso di raggi gamma dal cosmo nell intervallo di energia 20 MeV - >300 GeV.

91

92 CREAM TRD Module Calorimeter Module CDM Solar Array

93 CREAM al Polo Sud

94 operazioni di lancio Il pallone resterà in volo per più di 30 giorni

95 CREAM: operazioni di recupero del carico giovane fisico di Siena

96 L occhio Magic 30 m 2m MAGIC è un telescopio Cerenkov nel visibile. E alto 30 m Ha un diametro di 17 m ~1000 specchi 50x50 cm 2 40 tonnellate di peso Puntamento rapido < 10 s Attualmente vede luce (da raggi cosmici carichi e raggi gamma) a La Palma, Canarie a 2400 m.

97 L occhio Magic

98 ? materia oscura + energia oscura

99 Materia oscura Per materia non oscura intendiamo non solo quella che emette luce ma tutta quella che emette radiazione di qualsiasi tipo oggi osservabile: onde radio, raggi X, raggi gamma, neutrini, onde gravitazionali,

100 Una sfida oscura! Appena il 5% del nostro Universo è fatto di qualcosa che conosciamo Il 20% è formato da materia oscura Il 75% è formato da energia oscura

101 materia oscura Tale materia, non osservabile al telescopio, è attestabile solo indirettamente attraverso l'influenza gravitazionale che essa esercita sulla materia visibile. Un metodo per individuarla è quello che sfrutta l'effetto di lente gravitazionale, cioè la distorsione della luce proveniente da galassie lontane a causa dell'influenza della materia oscura. Secondo tale effetto, predetto dalla relatività generale, la luce è incurvata dalla gravità; conseguentemente, la forma sferica di galassie lontane che si trovano oltre un raggruppamento di materia oscura appare leggermente allungata, ellittica.

102 materia oscura + energia oscura materia oscura La materia oscura fornisce la familiare attrazione gravitazionale e rallenta così l espansione dell universo. Wimp s o Macho s? L energia oscura causa antigravità e accelera così l espansione dell universo. energia oscura

103 A caccia di onde gravitazionali

104 Binarie coalescenti Forza di gravità La forza di gravità è tra tutte le forze della Natura quella che conosciamo da più tempo. Si sente in ogni istante. Attenti a non cadere! Tuttavia ad oggi disponiamo di pochissimi elementi sulle proprietà della forza gravitazionale. La teoria di Einstein prevede l esistenza di onde gravitazionali che, come le onde elettromagnetiche possono viaggiare e trasportare energia su grandi distanze. Le onde elettromagnetiche sono generate da cariche in moto le onde gravitazionali da masse in rapido movimento.

105 Onde gravitazionali Dopo 30 anni di intensa ricerca, abbiamo solo una prova indiretta della loro esistenza. Le onde gravitazionali non sono ancora state rivelate. Questa è la sfida dell interferometro VIRGO.

106

107 Virgo Veduta aerea del Laboratorio di VIRGO

108 Interno di uno dei due tunnel Tubo a vuoto lungo 3 Km

109 Un errore inferiore al diametro di un atomo

110 La rete mondiale di rivelatori di onde gravitazionali

111 Foto inedita

112 Il cammino della scienza Mentre la scienza odierna è in grado di conoscere sempre più cose, il quadro generale si è allargato ancora più velocemente aprendo orizzonti più vasti di ignoto Pur riconoscendo le difficoltà nel trovare risposte assolute si continua diligentemente la Ricerca dell Infinito

113 Sagge parole di un filosofo Pieno è il creato di cose magiche tutte in paziente attesa che il nostro intelletto si faccia più acuto

114 Grazie!

115 Cos altro a favore del big bang? Prove a favore della teoria: Radiazione cosmica di fondo (microonde) scoperta nel 1965 residua dalla nascita dell universo Abbondanza di Elio 4 He (25% della massa dell universo) e predizioni sulle quantità di 3 He (10-5 ) e 7 Li (10-10 ) in accordo con le misure attuali

116 come si può perdere un Nobel! Arno Penzias e Robert Wilson, giovani ricercatori dei Bell Laboratories, hanno per primi osservato la radiazione di fondo a 3 K. Altri ricercatori utilizzando la stessa antenna hanno semplicemente ignorato il rumore, mancando così la scoperta e il Nobel. Fin dal 1946 era stato predetto che un test cruciale dell ipotesi del big bang era che l intero Universo fosse riempito di tale Radiazione.

117 Nucleosintesi Le curve indicano le quantità di 4 He, 3 He, deuterio 2 H e 7 Li previste dalla teoria del big bang. Le bande orizzontali colorate le quantità osservate. Perfetto accordo

118 massa Campo di Higgs Peso nel campo gravitazionale Massa nel campo di Higgs m P = m g Massa Apparente {Campo di Higgs Particella Campo di Higgs Un corpo di massa m nel campo gravitazionale della Terra, acquista un peso P = m g dove g è l accelerazione di gravità. Il campo genera il peso. Lo spazio vuoto è riempito dal campo di Higgs (sempre vuoto... o quasi). Quando una particella entra in questo spazio il campo di Higgs si concentra attorno ad essa e ne impedisce l avanzamento. Questo genera la massa.

119 ancora sulla massa apparente

120 massa Il bosone di Higgs Quale è il meccanismo che crea le particelle di Higgs? Un effetto collaterale di questa teoria è la produzione di particelle di Higgs. In una collisione tra particelle viene liberata energia che causa grumi nel campo di Higgs e dà l impressione di massa in assenza di particelle. Campo di Higgs una delle sfide dei prossimi anni è appunto la ricerca del bosone di Higgs con esperimenti dedicati presso LHC, il nuovo grande collisore p-p del CERN Particella di Higgs

121 Un quadro astratto? no la firma dell Higgs!

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