La Fisica delle Particelle Elementari: la teoria, gli esperimenti

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1 19 Febbraio 2003 Relatore: Alessandra Tonazzo La Fisica delle Particelle Elementari: la teoria, gli esperimenti Quali sono i costituenti fondamentali della materia? Quali sono le forze che controllano il loro comportamento? Quali sono i principi e le leggi che governano l universo? Quali strumenti possiamo usare per esplorare le risposte a queste domande? 1

2 L atomo : il mattone fondamentale della materia? 2

3 L atomo non è indivisibile : Scoperta dei raggi X W.Roentgen Scoperta degli elementi radioattivi M. e P.Curie H.Becquerel Scoperta dell elettrone Dallo studio delle scariche in gas rarefatti J.J.Thomson 3

4 L esperienza di Rutherford (1909) Modello di Thomson Modello di Bohr 4

5 Il modello atomico di Bohr L atomo e` in gran parte vuoto in un modello in scala se il nucleo e` un pallone da calcio, gli elettroni si muovono sulla parte piu` lontana delle tribune Esistenza degli isotopi (stessa carica, diversa massa) => il nucleo è composto di protoni e neutroni 5

6 Le due grandi rivoluzioni dell inizio del 900 Meccanica Quantistica Relatività H.Schroedinger W.Heisemberg A.Einstein E = mc 2 Equazione di Dirac (iγ m)ψ(x) = 0 P.Dirac 6

7 L equazione di Dirac descrive correttamente le proprietà dell elettrone Ma fa anche altro: Prevede l esistenza di una particella identica all elettrone, ma con carica elettrica positiva invece di negativa, allora sconosciuta Dirac prevede il positrone Nel 1932 Carl Anderson verifica sperimentalmente la previsione di Dirac La curvatura (particella carica in campo magnetico) ci dice che è una particella con carica POSITIVA Ogni particella ha una antiparticella 7

8 La Forza di Lorentz Una particella carica in moto in un campo magnetico è soggetta a una forza F = q v x B F B v Direzione perpendicolare al campo magnetico e alla direzione del moto Verso dipendente dalla carica (positiva/negativa) Raggio di curvatura della traiettoria proporzionale alla quantità di moto P [GeV/c] = 0.3 B [Tesla] R [m] 8

9 Una miriade di nuove particelle Scoperte a partire dagli anni 30 nelle interazioni dei raggi cosmici e dei fasci prodotti dagli acceleratori Enrico Fermi: Ragazzo, se io potessi ricordare il nomedi tutte queste particelle sarei un botanico! Ma allora: che cosa significa FONDAMENTALE?? Quali sono i veri mattoni elementari della materia? 9

10 I leptoni Neutrino: introdotto da Wolfgang Pauli ed Enrico Fermi per preservare la conservazione dell energia nel decadimento beta del neutrone n p + e + ν e Tre famiglie, ognuna contenente un elettrone e un neutrino Muone: particella identica all elettrone, eccetto che per la massa, 200 volte maggiore I.I. Rabi: Il muone, ma chi l ha chiesto? 10

11 I quark Murray Gell-Mann Three quarks for Muster Mark J. Joyce, Finnegan s Wake Up e down costituiscono la materia ordinaria (p = uud, n = udd) Gli altri compongono tutte le altre particelle osservate Non si osservano quark liberi: sono CONFINATI nelle particelle da essi costituite 11

12 Dimensioni Lo spazio è quasi totalmente vuoto! Sono le forze che creano la solidità degli oggetti 12

13 Le Forze (o interazioni) Evoluzione del concetto di forza Consideriamo l interazione elettromagnetica fra due elettroni A B r e e Newton: Maxwell: e Azione a distanza F rˆ 2 r La forza su A dipende da dove si trova B. Ma in che modo A sa dove si trova B? Interazione attraverso Campi 2 B produce un campo caratterizzato da un numero (e/r 2 ) in ogni punto dello spazio. La forza su A è diretta nella direzione in cui il numero varia più velocemente. A determina la sua risposta facendo osservazioni nelle sue immediate vicinanze Ma... ancora nessuna connessione tra A e B 13

14 Le forze (o interazioni) Feynmann: Le Forze sono prodotte dallo scambio di particelle mediatrici di forze B emette continuamente la particella che trasporta la forza e.m. (il fotone). L elettrone A assorbe il fotone e rincula (la forza repulsiva tra gli elettroni) ( nella teoria quantistica dei campi entrambi i segni dell impulso scambiato sono possibili) 14

15 Le 4 interazioni fondamentali Intensità: Carlo Rubbia e Simon van der Meer Premio Nobel per la Fisica 1984 per la scoperta al CERN di Ginevra dei bosoni vettori W e Z, portatori della forza debole 15

16 Distanze Perché la gravità e l elettromagnetismo ci sono familiari, mentre non sapevamo nulla della forza debole e di quella forte? Perché hanno raggio d azione INFINITO, mentre le forze debole e forte sono confinate a BREVI DISTANZE Il raggio d azione di una forza è legato alla massa del suo portatore 16

17 Il Modello Standard riassunto delle attuali conoscenze circa la fisica delle interazioni fondamentali: individua le particelle fondamentali individua le forze fondamentali (e.m., debole, forte) detta le regole attraverso cui le particelle interagiscono tramite le forze (esempio: conservazione della carica elettrica) permette di effettuare previsioni teoriche confrontabili con gli esperimenti 17

18 Il Modello Standard QED Premio Nobel per la Fisica 1965 ( ) Richard P. Feynman Julian Schwinger Sin-Itiro Tomonaga Interazioni elettrodeboli Premio Nobel per la Fisica 1979 Sheldon Lee Glashow Abdus Salam Steven Weinberg ( ) E le interazioni forti (QCD)?? Niente Nobel per ora! 18

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20 Un esempio di interazione tra particelle elementari e + e D + D Elettrone e positrone si scontrano. La forza elettrodebole produce un charm e un anticharm Il charm e l anticharm si allontanano. La forza forte fa nascere un down e un antidown, e li lega a charm e anticharm per formare le particelle osservabili D 20

21 Interazioni fondamentali: come ci appaiono e + e - W + W - ed e+e- qq al collisore LEP in funzione al CERN dal 1998 al 2000 Energia da 91 a 210 GeV 21

22 Interazioni fondamentali: come ci appaiono pp 4µ + al futuro acceleratore LHC Energia = 14 TeV (simulazioni) 22

23 Leggi di conservazione Nelle interazioni fondamentali si conservano energia e quantità di moto ΣE i = ΣE f Σp i = Σp f Sono inoltre conservati: carica elettrica, numeri leptonico e barionico, ecc. 23

24 Come vediamo alle diverse scale di grandezza? 24

25 L osservazione del microcosmo I piu` piccoli dettagli risolvibili hanno dimensioni confrontabili con la λ della luce usata per osservarli Per il principio di indeterminazione, a piccole lunghezze d onda corrispondono grandi energie: λ << h = p hc E Servono particelle di alta energia per esplorare il microcosmo λ E 25

26 Le unità di misura In fisica delle particelle, le energie si misurano in elettronvolt (ev) e loro multipli 1 ev è l energia acquistata da una particella di carica unitaria che attraversa una differenza di potenziale di 1 V 1 ev = 1.6 x Joule Quantità di moto -> ev / c Masse -> ev / c 2 ricordiamo E = mc 2 26

27 Microscopi sempre più potenti Oggetto Atomo Nucleo Nucleone Quark Dimensione m m m? Energia della Radiazione GeV (elettroni) 0.01 GeV (alfa) 0.1 GeV (elettroni) > 1 GeV (elettroni ) Le sorgenti radioattive forniscono particelle con energie massime di qualche MeV Per ottenere energie più alte e vedere dettagli più piccoli occorrono gli acceleratori di particelle 27

28 Perché i portatori delle diverse forze hanno masse così diverse fra loro? Perché quark e leptoni delle tre famiglie hanno masse diverse? Problemi aperti: le masse Il Modello Standard prevede una particella, il bosone di Higgs, che determina la massa delle altre particelle in base all intensità della sua interazione con esse L Higgs non è ancora stato osservato sperimentalmente, alle energie sinora raggiunte dagli acceleratori occorre cercarlo a energie più alte! 28

29 Problemi aperti : unificazione delle forze? È possibile che le interazioni fondamentali siano diverse manifestazione a bassa energia di un unica interazione? occorre esplorarlo a energie più alte! 29

30 La fisica delle particelle elementari sempre più potenti sempre più sofisticati sempre più complessa Grandi collaborazioni internazionali 30

31 Il CERN di Ginevra Fondato nel stati membri (+ osservatori) Edoardo Amaldi 31

32 L esperimento ATLAS A Toroidal Lhc ApparatuS lunghezza 40 m raggio 10 m peso 7000 tons canali di elettronica e 3000 km di cavo Tracciamento : (Barrel, solenoide B = 2 T) Pixel e strip di silicio Rivelatore a radiazione di transizione Calorimetria : EM (Pb-LAr) HAD ( Fe-scintillatore, Cu/W-LAr) Spettrometro a muoni : Toroide in aria con camere a muoni 32

33 La collaborazione ATLAS Austria Australia Armenia Azerbaijan Belarus Brasile Canada Cina Ceca Rep. Regno Unito USA Danimarca Finlandia Turchia Taiw an Francia Svizzera - Cern Svizzera Svezia Spagna Slovenia Slovacchia Russia Romania Portogallo Polonia Giappone Marocco Olanda Norvegia Georgia Germania Grecia Israele Italia 33

34 Altri centri di ricerca internazionali Fermilab, USA KEK, Giappone LNF, Frascati, Italia 34

35 La Fisica delle Particelle Elementari I componenti fondamentali della materia Le leggi che regolano le loro interazioni La teoria per descriverli: Il Modello Standard Gli esperimenti per osservarli: Acceleratori e rivelatori 35