Quando l energia diventa materia: viaggio nel mondo delle particelle elementari

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1 Quando l energia diventa materia: viaggio nel mondo delle particelle elementari Massimiliano Fiorini!! Dipartimento di Fisica e Scienze della Terra! Università degli Studi di Ferrara! Massimiliano.Fiorini@cern.ch! Corso di Eccellenza Ferrara, 16 Marzo 2015

2 1 nanometro! 10-9 m! 1 fm! 1 nm! 1 mm! 1 m! 1 km! 1 femtometro! m!

3 La Fisica delle Particelle Elementari Cerca di rispondere alle seguenti domande fondamentali:! q Quali sono i costituenti fondamentali della materia?! q Quali sono le forze con le quali interagiscono e che origine hanno?! Idea di base: si vogliono interpretare fenomeni complessi in termini delle proprietà delle parti più semplici che li compongono e delle forze che intervengono a comporli! La risposta a queste domande viene ricercata tramite un'indagine teorica e sperimentale degli oggetti più piccoli a noi accessibili! q Si vogliono ricreare in laboratorio le particelle prodotte nei primi istanti dopo il Big Bang! E necessario osservare oggetti sempre più piccoli! 3

4 Cosa vuol dire Elementare? Elementare = privo di struttura, non composto da altri oggetti più piccoli! Elementare = alla base di tutto ciò che ci circonda, tutte le interazioni che osserviamo in Natura sono esprimibili tramite le interazioni dei costituenti elementari o fondamentali! Come facciamo a sapere se! un oggetto è elementare! oppure no?! 4

5 Un esempio dalla Chimica Fino al ~1870 le particelle elementari erano gli atomi, che caratterizzavano gli elementi! Mendeleev scoprì che gli elementi sono caratterizzati da proprietà che si ripetono a intervalli regolari! q Tavola Periodica! Forte indizio sull'esistenza di una struttura all'interno dell'atomo! 5

6 Come osserviamo il mondo? Grazie alla vista riusciamo a percepire forma, colore, dimensioni e posizione di un oggetto! Meccanismo molto simile a quello che avviene in un esperimento di fisica delle particelle! q Un fascio di particelle (fotoni) emesso da una sorgente (lampadina) va ad urtare ed interagisce con un oggetto! q I fotoni rimbalzano sull oggetto e raggiungono un rivelatore (il nostro occhio)! Quando l oggetto diventa troppo! piccolo, il nostro occhio non basta! più à dobbiamo usare altri strumenti! 6

7 Lente di ingrandimento Ingrandimento di poche unità! 7

8 Il microscopio ottico Ingrandimento fino a 1000 con sistema di lenti composte! 8

9 Come osservare oggetti più piccoli? Il livello di dettaglio è limitato dalla lunghezza d onda! q La luce visibile non ci consente di vedere oggetti più piccoli di una cellula (~1 µm)! De Broglie (1924): possiamo considerare le particelle come onde di materia! q Lunghezza d onda #=h/p (h costante di Planck, p quantità di moto)! Utilizzare le particelle come sonde! q Acceleratori di particelle (variamo p e quindi #)! Visione! Rivelazione! 9

10 Come acceleriamo le particelle? Utilizziamo un campo elettrico, possibilmente molto intenso! q Una particella carica viene accelerata da un campo elettrico! Una camera (tubo) a vuoto! q Per evitare che le particelle del fascio collidano con le molecole del gas! Un campo magnetico! q Serve a curvare la traiettoria delle! particelle! 10

11 Palle da biliardo Nel gioco del biliardo possiamo notare come grandi angoli di deviazione siano possibili negli urti tra due palle uguali! Se lanciamo il pallino (più leggero) contro una palla questo può anche tornare indietro! Invece se la palla colpisce il pallino non può essere deviata di molto (nell esempio l urto è centrale e non c è alcuna deviazione)! La situazione è analoga negli urti nucleari, dove però non vediamo il bersaglio (e quindi non possiamo prendere la mira): dalle deviazioni del proiettile osservate in tanti urti successivi possiamo capire come è fatto il nucleo! 11

12 Esempio 1 (a) Abbiamo un oggetto sconosciuto (bersaglio), e decidiamo di studiarlo sparando molte particelle contro di esso! Riusciamo a capire la forma del bersaglio dalla distribuzione delle particelle uscenti?! 12

13 Esempio 1 (b) Abbiamo un oggetto sconosciuto (bersaglio), e decidiamo di studiarlo sparando molte particelle contro di esso! Riusciamo a capire la forma del bersaglio dalla distribuzione delle particelle uscenti? à triangolare! 13

14 Esempio 2 (a) Abbiamo un oggetto sconosciuto (bersaglio), e decidiamo di studiarlo sparando molte particelle contro di esso! Riusciamo a capire la forma del bersaglio dalla distribuzione delle particelle uscenti?! 14

15 Esempio 2 (b) Abbiamo un oggetto sconosciuto (bersaglio), e decidiamo di studiarlo sparando molte particelle contro di esso! Riusciamo a capire la forma del bersaglio dalla distribuzione delle particelle uscenti? à circolare! 15

16 L esperimento di Rutherford Attorno al 1910 Rutherford, Geiger e Marsden bombardarono con particelle $ sottili lamine di oro e osservarono tali particelle deflesse su uno schermo scintillante! q Particelle $: nuclei di elio, composte da 2 protoni e 2 neutroni (massa pari a ~8000 m e )! 16

17 Il modello di Thomson J.J. Thomson (scoperta elettrone 1897) propose un modello di atomo nel 1904 detto a panettone! q L'atomo è costituito da una distribuzione di carica positiva diffusa all'interno della quale sono inserite le cariche negative (come i canditi nel panettone )! In base a questo modello le particelle $ di Rutherford non dovrebbero subire deviazioni significative! 17

18 Risultato inatteso! Una piccola frazione di particelle $ veniva diffusa ad angoli molto grandi! 18

19 Interpretazione: il modello nucleare Una piccola frazione di particelle $ viene deflessa a grandi angoli a causa degli urti sui nuclei! q La carica positiva del nucleo atomico deve essere concentrata in una regione molto piccola ( mila volte più piccola dell atomo)! 19

20 Come studiare il nucleo atomico? n Dobbiamo utilizzare proiettili capaci di penetrare l atomo ed arrivare al nucleo! q n Piccoli (protoni, elettroni) e molto veloci (#=h/p)! Dopo Rutherford, la fisica delle! particelle è continuata utilizzando:! q q q Sorgenti radioattive! Raggi cosmici! Acceleratori lineari e circolari! 20

21 I raggi cosmici I RAGGI! COSMICI:! Dallo spazio arrivano nuclei dall idrogeno fino al ferro anche con energie enormi.! Interagiscono nuclaermente con i nuclei di Azoto e Ossigeno e produ-! cono cascate di pioni, muoni, elettroni, gamma, neutrini,! etc..! Fe! 21

22 Prime scoperte con i raggi cosmici Il positrone (antiparticella dell elettrone) fu scoperto da Anderson (1933) grazie alla deviazione dalla parte sbagliata in un campo magnetico! e + rallentato! (23 MeV)! lastra da! 6 mm di Pb! e + entrante! (63 MeV)! traccia del "! traccia dell! elettrone! Un muone (scoperta 1936) entra dall alto nella camera a nebbia, viene rallentato nella piastra metallica e poi decade emettendo un elettrone e due neutrini (invisibili)! 22

23 Acceleratori lineari Una tensione alternata viene comunicata ai tubi a deriva 1, 2, 3,! q All interno di un tubo la particella si muove a velocità costante! q Nel gap tra due tubi viene accelerata dal campo elettrico! q I tubi devono essere via via più lunghi per mantenere il sincronismo con la fase della tensione alternata! tubo a deriva! -! +! accelerazione! -! -! vel. costante! -! accelerazione! 23

24 Il ciclotrone di Lawrence E.O. Lawrence ha l idea di usare lo stesso gap molte volte facendo curvare la traiettoria delle particelle con un campo magnetico (invece di usare molti gap )! Linee di forza del! campo magnetico! Linee di forza del! campo elettrico! Poli del magnete! Due elettrodi cavi a forma di D sono collegati a un generatore! di tensione alternata ad alta frequenza! 24

25 Gli acceleratori moderni Gli acceleratori moderni di alta energia sono quasi sempre dei sincrotroni con:! q q q q Un tubo a vuoto dove circolano i fasci! Alcune cavità a radiofrequenza dove intensi campi elettrici aumentano l energia delle particelle ad ogni giro! Parecchi magneti a dipolo per curvare le traiettorie! Parecchi magneti a quadrupolo per focalizzare i fasci! 25

26 Esperimenti agli acceleratori Fascio di particelle accelerato contro un bersaglio fisso! q Produzione di nuove particelle e studio delle proprietà del bersaglio! Due fasci di particelle vengono fatti collidere uno contro l'altro! q Massima efficienza per la produzione di particelle molto più massive dei proiettili utilizzati! L'uso degli acceleratori di particelle è di fondamentale importanza per lo sviluppo dell'indagine sperimentale! q Permette di superare i limiti di energia, intensità e riproducibilità posti dalla natura dei raggi cosmici! 26

27 L energia si trasforma in materia Negli urti ad altissima energia si creano nuove particelle, che non esistono nella materia ordinaria sulla Terra! La creazione di particelle è dovuta ad un processo di trasformazione di energia in materia à E = mc 2! s 2Em s = 2E Più è alta l energia a disposizione, più è grande il numero di particelle che si possono produrre! In ogni caso l energia totale si conserva!! 27

28 Le particelle elementari Moltissime particelle scoperte tra il 1897 e oggi:! Sono davvero tante: non possono essere tutte fondamentali! Possiamo raggrupparle in base alle loro proprietà! q Ricerca di regolarità che diano qualche indizio sulla loro struttura interna (lavoro iniziato negli anni 60)! 28

29 Un po di vocabolario Leptone: particella elementare non soggetta all interazione forte! q Esempi: elettrone (e), muone (%), neutrino elettronico! Quark: particella elementare soggetta all interazione forte! q Esempi: up (u), down (d), strange (s), etc! Adrone: particella soggetta all interazione forte e composta da più quark (o antiquark)! q Barione: costituito da 3 quark (e.g. protone, neutrone)! q Mesone: costituito da una coppia quark-antiquark! Fermione: particella di spin 1/2, 3/2, etc (leptoni, quark, barioni)! Bosone: particella di spin 0, 1, 2, etc (particelle mediatrici delle interazioni, mesoni)! q Lo spin è una grandezza caratteristica di una particella (momento angolare intrinseco), di natura quantistica! 29

30 Il modello a quarks (1) Ordinando le particelle soggette all'interazione forte secondo due particolari numeri quantici (isospin e stranezza) si notarono delle regolarità! Questo suggerì a Gell-Mann e Zweig (1964) che tutti gli adroni potessero essere costituiti da particelle ancora più fondamentali: i quarks! Predetta prima di! essere scoperta! 30

31 Il modello a quarks (2) Nella sua formulazione originaria, il modello prevedeva l'esistenza di tre quarks (e dei relativi antiquarks):!!u (up)!!d (down)! s (strange)! ciascuno caratterizzato da numeri quantici ben precisi! Tutte le proprietà degli adroni allora conosciuti venivano riprodotte bene dal modello! Gli adroni furono classificati in due categorie:! q q barioni: costituiti da tre quarks! mesoni: costituiti da una coppia quark-antiquark! 31

32 Il modello a quarks si consolida All'inizio degli anni '70, per spiegare alcune osservazioni sperimentali, viene prevista teoricamente l'esistenza di un altro quark più massivo degli altri: il c (charm)! Nel 1974 viene scoperta la J/#, mesone formato da una coppia charm-anticharm (il quark c ha massa ~1 m protone )! Successivamente vengono scoperte altre particelle che sono una combinazione di charm e quarks più leggeri! J resonance! Brookhaven! # resonance! SLAC! 32

33 I quarks esistono veramente? Finora abbiamo parlato dei quarks all'interno di un modello che spiega la fenomenologia delle particelle che osserviamo negli esperimenti! In alcuni decenni di esperimenti, un quark isolato non è mai stato osservato! Come possiamo osservare almeno indirettamente i quarks all'interno dei protoni?! q q q Ripetiamo l'esperienza di Rutherford (protone = bersaglio)! Dobbiamo usare una sonda piccola e penetrante: l'elettrone è il candidato ideale (non ha struttura interna e non è soggetto all'interazione forte)! Deduciamo le proprietà dell interno del protone dalla distorsione delle traiettorie degli elettroni e della loro energia! 33

34 Conferma sperimentale Esperimento effettuato ~1970. Un bersaglio di idrogeno viene bombardato con un fascio di elettroni ad alta energia. Si misura la direzione e l'energia degli elettroni dopo l'urto (cinematica un po' più complicata che nel caso di Rutherford)! Distribuzione prevista nel! caso di oggetti puntiformi e di! spin 1/2 all interno del protone! Fino ad oggi i quarks non hanno evidenziato alcuna struttura: li consideriamo a tutti gli effetti come oggetti puntiformi e quindi elementari! 34

35 Scoperta dei quarks più pesanti Il quark b (bottom o beauty) fu scoperto nel 1977 al Fermilab di Chicago! q Ha massa pari a circa 5 volte quella del protone! Il quark t (top) venne scoperto nel 1994 dopo moltissimi anni di ricerche al Fermilab! q E la particella più pesante in! assoluto: circa 200 volte il protone! Tutti gli adroni che conosciamo! oggi sono composti da questi! 6 quarks (più i loro antiquarks)! 35

36 I costituenti fondamentali Abbiamo finora osservato 12 particelle elementari (più le loro anti-particelle), 6 leptoni e 6 quarks raggruppati in 3 famiglie (generazioni) di massa via via crescente! La forza tra le particelle di materia è trasmessa (mediata) da altre particelle, i bosoni di gauge! La materia ordinaria è formata solo dalla prima generazione! 36

37 La materia ordinaria quark! leptoni! quark up (carica +2/3)! quark down (carica -1/3)! elettrone (carica -1)! neutrino (nessuna carica)! particelle! composte! protone! neutrone! nucleoni! I protoni e i neutroni formano i nuclei di tutti gli atomi! 37

38 Forze e mediatori Ad ogni interazione corrisponde una carica! Solo le particelle con la carica giusta sono soggette all interazione corrispondente! L interazione avviene scambiando mediatori! q Particelle chiamate bosoni di gauge! 38

39 Le interazioni fondamentali Le interazioni fondamentali in natura sono quattro:! q Gravitazionale! q Elettromagnetica! q Forte! q Debole! Solo delle prime due abbiamo esperienza diretta nella vita quotidiana (il loro raggio d'azione è infinito)! q Le altre due rimangono confinate nel mondo microscopico! 39

40 Interazione gravitazionale La più evidente! La più antica! E la più debole di tutte: domina sulle altre solo su larga scala! Viene mediata dal gravitone, una particella prevista teoricamente, ma non ancora osservata! La meno nota:! q Non esiste una teoria di campo gravitazionale quantistica soddisfacente! q Non si sono osservate direttamente le onde gravitazionali! q Non si capisce perché sia così poco intensa! 40

41 Interazione elettromagnetica E stata compresa a fondo solo nella seconda metà del 1800 (equazioni di Maxwell), con l'unificazione dei fenomeni elettrici e magnetici! E' responsabile di una vastissima molteplicità di fenomeni che include tutti i legami chimici! A differenza della gravità, ha un ruolo molto importante nella Fisica delle Particelle Elementari! L interazione è mediata dal fotone e avviene tra particelle dotate di carica elettrica! E a lungo raggio! Dà effetti macroscopici! 41

42 Interazione forte (1) E responsabile della stabilità dei nuclei atomici! q Non potrebbero in alcun modo essere stabili a causa dell interazione elettromagnetica! E responsabile dei processi di fusione! q Produzione di energia nel sole! E responsabile dei processi di fissione! q Reazioni nucleari controllate e non! E l interazione che lega insieme i quarks negli adroni! q Viene spiegata teoricamente dalla Cromodinamica Quantistica! 42

43 Interazione forte (2) L'interazione è mediata dai gluoni, e avviene tra particelle dotate di carica di colore! q Tra i quarks e i gluoni stessi! Vi sono 3 tipi di carica: colori e i corrispondenti anticolori (R G B)! I gluoni sono 8 e hanno massa nulla! q Possiedono un colore e un anticolore! Caratteristica peculiare dell'interazione forte: sono possibili solo combinazioni neutre di colore! q q I quark all interno! di un neutrone! si scambiano gluoni! Questa è la ragione per cui non si osservano singoli quarks liberi: sono oggetti colorati! Possiamo osservare solo gli adroni (combinazioni qqq o qq)! 43

44 Interazione debole (1) n n n Responsabile del decadimento di nuclei radioattivi, dei leptoni e di molti adroni (decadimento $)! Caratterizzata da un'intensità molto inferiore rispetto all interazione forte ed elettromagnetica! Ha un ruolo determinante nell Universo! q n Permette la formazione di deuterio a partire da due protoni (primi step della fusione nelle stelle)! E' la sola interazione a cui è sensibile il neutrino! q Per questo è così difficile osservarlo! 44

45 Interazione debole (2) L'interazione è mediata da 3 particelle (W +, W - e Z 0 ) e avviene tra particelle dotate di carica debole! Questi mediatori vennero scoperti nel 1983 al CERN grazie agli esperimenti al collisionatore protone-antiprotone SppS! q Hanno masse di circa GeV (circa 100 protoni)! q Premio Nobel a C. Rubbia e S. Van der Meer nel 1984! Distingue tra destra e sinistra! (Parità)! q Particella procede come vite levogira! q Anti-particella come vite destrogira! 45

46 Il Modello Standard Nel 1967 Glashow, Weinberg e Salam proposero una teoria in cui le interazioni elettromagnetica e debole venivano unificate in un'unica interazione: l'interazione elettrodebole! Il Modello Standard descrive efficacemente tutte le proprietà delle particelle osservate finora! Questa teoria negli anni è stata testata in grande dettaglio in una serie di esperimenti! q Sono stati misurati con grande precisione i parametri incogniti della teoria! q Sono state verificate moltissime sue predizioni! 46

47 Il Modello Standard: i fermioni 47

48 Il Modello Standard: i bosoni 48

49 Fermioni e bosoni ordinati per massa Il pezzo mancante! del Modello Standard! fino a un paio di anni fa! 49

50 Il bosone di Higgs E molto peculiare:! q q q Non è una particella di materia (leptone/quark)! Non è un mediatore! Genera le masse di tutte le particelle mediante un processo noto come rottura spontanea della simmetria! Nel Modello Standard le particelle hanno massa nulla à viene acquistata attraverso l interazione con il bosone di Higgs! Teorizzato da Peter Higgs nel 1964! Non è stato osservato prima di LHC perché la sua massa è troppo elevata per le energie disponibili negli acceleratori passati! 50

51 Il meccanismo di Higgs 51

52 Il Large Hadron Collider (LHC) E il più grande e potente acceleratore di particelle realizzato finora! 27 km di circonferenza! Più di mille magneti superconduttivi tenuti alla temperatura di C! Energia massima 8 TeV per ciascun fascio! Operativo da Settembre 2008! Collisore protone-protone al CERN di Ginevra! q La collisione avviene tra i quarks (e i gluoni) di cui è costituito il protone! 52

53 n csdvfd! Se LHC fosse a Ferrara! 53

54 La macchina del tempo LHC! 54

55 Gli acceleratori del CERN 55

56 Gli esperimenti ad LHC 4 esperimenti principali: ATLAS, CMS, LHCb e ALICE! 27 km di! circonferenza! 4 punti di interazione! 100 m sotto terra! 56

57 ATLAS e CMS ATLAS e CMS: rivelatori multi-purpose, cioè non focalizzati su un singolo processo di fisica! Il compito fondamentale di questi due esperimenti è la ricerca del bosone di Higgs e lo studio delle sue proprietà! Altri obiettivi: verifiche sulle previsioni del Modello Standard in questa finestra di energie! Inoltre: trovare Nuova Fisica non prevista dal Modello Standard, come l'esistenza di particelle supersimmetriche! 57

58 Scoperta del bosone di Higgs Annuncio della scoperta del bosone di Higgs è stato dato il 4 Luglio 2012 dalle collaborazioni ATLAS e CMS! Negli anni successivi sono state misurate varie altre proprietà che hanno confermato la scoperta! E una particella con massa di circa 125 GeV, ha spin nullo e carica elettrica nulla! q E inoltre molto instabile e decade quasi istantaneamente! Nobel per la Fisica 2013 a Peter Higgs e Francois Englert per la scoperta teorica del meccanismo che contribuisce alla nostra comprensione dell origine delle masse delle particelle subatomiche! 58

59 Asimmetria Materia/Antimateria n Il Big Bang ha creato un egual numero di particelle e anti-particelle, ma l universo è costituito solo di materia! q Cosa è successo a tutta l antimateria?! 59

60 LHCb Dedicato alla fisica dei mesoni B! Il decadimento dei B è particolarmente utile per lo studio dell'asimmetria tra materia ed antimateria! La violazione della simmetria tra materia ed antimateria è prevista dal Modello Standard e conosciuta sperimentalmente da più di 40 anni! L'entità dell'asimmetria è troppo piccola per spiegare l'asimmetria tra materia ed antimateria dell'universo: si devono cercare nuovi fenomeni al di là di quelli previsti dal Modello Standard! 60

61 Particelle esotiche 9 Aprile 2014: osservazione della particella esotica Z(4430) - nell esperimento LHCb! q Prima prova della sua esistenza fornita nel 2008 dall esperimento Belle in Giappone! Non trova classificazione nel modello a quark tradizionale! q Non è composta da una coppia quark-antiquark oppure da tre quark! Il suo contenuto minimale in termini di quark è ccdu! E una particella costituita da 4 quark!! 61

62 Lo stato dell arte Il Modello Standard descrive in modo molto preciso le particelle elementari e le loro interazioni! q Le sue previsioni sono state verificate da una moltitudine di esperimenti in vari decenni! E dunque la fine della storia?! Non è in grado di spiegare molti fenomeni:! q Perché 3 2 famiglie?! q Perché masse così diverse?! m ' < 1 ev, m t = 173 GeV! q Perché 4 interazioni?! q Come includere la gravità?! q! NO!!! 62

63 Materia oscura e energia oscura Quello di cui vi ho parlato finora spiega solo il 5% circa dell Universo! Cosa si sa del resto? Molto poco! 63

64 La Supersimmetria Molti dei problemi del Modello Standard sarebbero risolti introducendo una nuova teoria! q Supersimmetria! Prevede una moltitudine di nuove particelle! q Un partner supersimmetrico per ogni particella fondamentale nota! 64

65 Cosa ci riserva il futuro? Il Modello Standard delle particelle elementari è basato su moltissimi esperimenti e spiega una grande quantità di dati sperimentali! La struttura intima della materia tuttavia è ancora da capire a fondo: il Modello Standard non può essere la teoria finale! Nei prossimi anni, grazie soprattutto a LHC, potremo esplorare la fisica oltre il Modello Standard, spiegare i problemi cosmologici e fare un passo avanti nella comprensione dell Universo! 65

66 LHC: Season 2 66

67 Vi ringrazio dell attenzione! 67

68 Raggi cosmici: messaggeri Oltre a darci delle importanti informazioni di Fisica i raggi cosmici possono darci dei messaggi sulle loro origine cosmiche?! Non è così evidente perché essendo carichi sono deviati dai campi magnetici galattici e quindi si perde la loro direzione originale! Sono in atto grandi esperimenti per rivelare raggi cosmici di enorme energia che sono deviati in modo trascurabile dai campi magnetici galattici! 68

69 Raggi cosmici: energia Sharma (2008). Atomic And Nuclear Physics. Pearson Education India. p ISBN