Particelle Elementari e Forze Fondamentali. Enrico Robutti

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1 Particelle Elementari e Forze Fondamentali Enrico Robutti

2 Le interazioni fondamentali E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 2

3 Forze fondamentali e unificazione Le interazioni fondamentali sono quelle attraverso la conoscenza delle quali è possibile descrivere tutti i fenomeni osservati in natura Lo scopo è quello di descrivere il maggior numero possibile di fenomeni con il minor numero possibile di teorie generali unificazione Diversi importantissimi esempi di unificazione nell evoluzione della fisica Quattro le forze oggi considerate fondamentali: Interazione Gravitazionale Interazione ElettroMagnetica Interazione Nucleare Forte Interazione Nucleare Debole Interazione Elettro-Debole E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 3

4 L interazione gravitazionale L interazione gravitazionale regola il moto dei corpi celesti e in generale la struttura a grande scala dell Universo Si esercita tra tutti i corpi massivi Ha raggio di interazione infinito Descritta con successo da Newton con la Legge di Gravitazione Universale Primo esempio di unificazione (la forza che fa cadere i gravi è la stessa che regola il moto dei pianeti) La stragrande maggioranza dei moti celesti può essere descritta accuratamente per mezzo della meccanica newtoniana Rivista da Einstein con la Teoria della Relatività Generale in termini di geometria dello spazio-tempo E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 4

5 L interazione elettromagnetica L interazione elettromagnetica è responsabile della stragrande maggioranza dei fenomeni osservati su scala umana, inclusi i processi chimici e biologici Stretto legame tra fenomeni di natura elettrica e magnetica messo in luce dagli studi di Ampère, Faraday, Unificazione di elettricità e magnetismo portata a compimento dal lavoro di Maxwell: Elettrodimamica Classica onde elettromagnetiche ottica ondulatoria Quantizzazione del campo elettromagnetico di Dirac: Elettrodimamica Quantistica La luce (e la radiazione e.m.) torna alla rappresentazione corpuscolare (fotoni) E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 5

6 L interazione nucleare forte La repulsione elettrostatica tra i protoni, carichi positivamente, all interno del nucleo tende ad allontanarli reciprocamente Nei nuclei molto pesanti questo dà luogo ad instabilità fenomeni radioattivi L interazione nucleare forte è responsabile delle forze che tengono insieme i protoni nel nucleo forze attrattive superiori alla repulsione elettrostatica a brevissime distanze (~1 fm) A livello inferiore è responsabile dell aggregazione dei quark in protoni, neutroni, e negli altri adroni Descritta da un altra teoria di campo: Cromodimamica Quantistica (QCD) E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 6

7 L interazione nucleare debole L introduzione di un altro tipo di interazione nucleare, l interazione nucleare debole, è necessaria per descrivere alcuni processi osservati in natura quali: Il decadimento del neutrone: n p e Æν e Il decadimento del muone: μ e Æν e ν μ L unificazione della teoria delle interazioni deboli con l Elettrodinamica Quantistica ha determinato la nascita del Modello Standard delle interazioni elettro-deboli E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 7

8 Le scale delle interazioni Ogni interazione è caratterizzata, oltre che da una intensità, da una distanza tipica al di sotto della quale diventa rilevante: Interazione Intensità (e.m. = 1) Distanza Gravitazionale Nucleare Debole m Elettromagnetica 1 Nucleare Forte m E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 8

9 Le particelle E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 9

10 Cos è una particella elementare? In teoria con il termine particella elementare si intende una particella nella quale non possa essere distinta una sottostruttura composta da altre entità più fondamentali In questo senso né l atomo né il nucleo sono particelle elementari In pratica la Fisica delle Particelle Elementari si occupa anche dello studio di alcuni sistemi sub-nucleari (p.es. protone e neutrone), che sono oggi descritti come oggetti composti. Lo studio delle particelle elementari e quello delle interazioni fondamentali sono in pratica la stessa cosa Più le particelle sono elementari, più diretto è il confronto tra l osservazione sperimentale di come interagiscono tra di loro e le previsioni della teoria che descrive l interazione Le stesse interazioni sono mediate da quanti che sono a tutti gli effetti particelle elementari E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 10

11 Le proprietà delle particelle Le particelle sono caratterizzate da molte grandezze: massa: da 0 a centinaia di GeV/c 2 per le particelle note; carica: multipli interi della carica elementare per le particelle libere ; spin: intero (0, 1,..) per i bosoni, semi-intero (1/2, 3/2,..) per i fermioni; Le vite medie sono molto differenziate: particelle stabili: mantengono la loro identità indefinitamente (p. es. protone, elettrone); particelle instabili: decadono spontaneamente dopo un certo tempo (p. es. neutrone, muone, pione); risonanze: hanno una vita media talmente breve che si possono osservare solo per mezzo di particolari caratteristiche nella cinematica dei prodotti di decadimento (p.es. Δ, ρ) E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 11

12 Barioni, mesoni, quark Tutte le particelle soggette all interazione forte sono dette adroni A seconda dei processi di produzione e decadimento in cui sono osservati, gli adroni vengono classificati come: barioni: p.es. protone, neutrone; mesoni:p.es. π, K Nel modello a quark tutti gli adroni vengono interpretati come stati legati di oggetti più fondamentali, i quark barioni tre quark (antiquark) mesoni un quark e un antiquark E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 12

13 I leptoni Il muone ha caratteristiche del tutto analoghe a quelle dell elettrone ma una massa circa 200 volte superiore L esistenza del neutrino venne postulata per spiegare la forma dello spettro degli elettroni emessi nei decadimenti β I neutrini hanno caratteristiche del tutto peculiari: hanno massa (quasi) nulla; interagiscono pochissimo (solo interazione debole) E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 13 Æν e Elettrone, muone, neutrino, fanno parte della famiglia dei leptoni: non sono soggetti all interazione forte ma solo a quella debole e (se carichi) a quella elettromagnetica e

14 I mediatori delle forze Le interazioni tra particelle avvengono attraverso lo scambio di altre particelle, i mediatori delle forze Le caratteristiche dell interazione si riflettono nelle caratteristiche dei mediatori: p.es. massa elevata corta distanza di interazione Le particelle scambiate non sono normalmente osservabili direttamente. P. es.: e + e μ + μ è descritto da e + e γ μ + μ (γ = fotone); n pe + Æν e è descritto da n p W pe + Æν e (W = mediatore dell interazione debole); E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 14

15 Il Modello Standard E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 15

16 Tre famiglie di fermioni Elettrone, neutrino elettronico, quark up e down sono sufficienti a descrivere la materia che ci circonda Per descrivere i processi osservati in laboratorio occorre però introdurre altre due famiglie di fermioni, con caratteristiche analoghe ma con masse sempre più alte L osservazione del quark top (Fermilab, 1995) è stato uno dei più grandi successi del Modello Standard E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 16

17 I bosoni vettori L interazione elettromagnetica è mediata dal fotone (neutro, massa nulla) L interazione nucleare forte è mediata da 8 gluoni (neutri, massa nulla) L interazione nucleare debole è mediata da 3 bosoni vettori massivi: 2 carichi (W ± ) e uno neutro (Z 0 ) L osservazione di W ± e Z 0 (CERN, 1983) costituisce il primo grande successo del Modello Standard Gravitazione gravitoni? E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 17

18 Il bosone di Higgs La costruzione del Modello Standard implica che i campi che vi compaiono siano associati a particelle di massa nulla, contrariamente all evidenza sperimentale Il meccanismo di Higgs consente di riscrivere la teoria in modo che le particelle fisiche (sia materiali che mediatrici di forza) acquistino una massa. La conseguenza è la comparsa di una nuova particella massiva, il bosone di Higgs Il bosone di Higgs non è mai stato osservato e sarà il primo obiettivo della prossima generazione di esperimenti La teoria non prevede alcun valore per la massa dell Higgs, ma i dati disponibili oggi permettono di stabilire limiti inferiori e superiori: la regione permessa è limitata E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 18

19 Il quadro completo E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 19

20 Oltre il Modello Standard? Nonostante i numerosissimi successi, il Modello Standard è insoddisfacente sotto molti punti di vista: non predice l esistenza di esattamente tre famiglie di fermioni, i valori delle masse e le grandi differenze tra di esse, ; non giustifica l asimmetria materia-antimateria dell Universo; non spiega l origine della materia oscura Numerose nuove teorie tentano di risolvere queste difficoltà estendendo o superando il Modello Standard Le teorie supersimmetriche sono tra le più attraenti e studiate: prevedono l esistenza di un gran numero di nuove particelle elementari, e spesso sono associate a simmetrie che permettono di unificare l interazione forte a quella elettro-debole (teorie di Grande Unificazione) Il passo successivo è quello di includere anche la gravità (teorie di stringhe, membrane, ) E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 20

21 Come è fatto un esperimento E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 21

22 Bersagli fissi e fasci collidenti Due diverse classi di esperimenti con acceleratore: Il fascio di particelle accelerate viene estratto dall acceleratore e diretto su un bersaglio fisso Altissime luminosità ( numero di eventi per unità di tempo) raggiungibili Possibilità di creare fasci specializzati : p.es. fasci di pioni o di kaoni Due fasci che viaggiano in direzioni opposte collidono all interno dell acceleratore Tutta l energia dei fasci è disponibile per la creazione di nuove particelle altissime energie raggiungibili Utilizzo efficiente dei fasci negli accumulatori circolari E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 22

23 Gli acceleratori Gli acceleratori forniscono la materia prima per gli esperimenti: accumulano ed accelerano i proiettili I proiettili sono normalmente particelle cariche stabili: protoni, elettroni, antiprotoni, positroni Sono tipicamente di due tipi: lineari; circolari (accumulatori) Gli elementi principali sono: cavità risonanti, per fornire energia alle particelle; magneti, per controllarne la traiettoria E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 23

24 La struttura di un rivelatore E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 24

25 La struttura di un rivelatore Le classi principali di rivelatori: tracciatori di vertice: ricostruiscono vertici secondari; tracciatori principali: misurano carica e impulso; identificatori di particella: misurano la velocità; calorimetri elettromagnetici: misurano l energia di elettroni e fotoni; calorimetri adronici: misurano l energia degli adroni camere per muoni: rivelano il passaggio dei μ E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 25

26 Dal progetto alla presa dati proposta metodo di misura formazione della Collaborazione scelta del laboratorio progetto progetto acceleratore costruzione/test costruzione/test sotto-rivelatori installazione test apparato completo rivelatore collisioni inizio presa dati E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 26

27 Dalla collisione alla misura collisione acquisizione dati segnali nei rivelatori prima selezione eventi (trigger) filtro software rilettura e decodifica dati ricostruzione dell evento selezione eventi di interesse analisi dati scrittura evento analisi completa misura / confronto con la teoria E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 27

28 Gli esperimenti E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 28

29 Temi attuali in Fisica delle Particelle Conferme del Modello Standard Esiste il bosone di Higgs? Ha massa compatibile con gli attuali limiti indiretti? Interagisce come previsto con le altre particelle? L accoppiamento tra le famiglie fermioniche è in perfetto accordo con il modello? Studio di processi vietati nel Modello Standard Test di modelli di fisica adronica Spettroscopia degli adroni Studio di produzione e decadimento di adroni Oltre il Modello Standard Esistono particelle supersimmetriche? Che massa hanno? Ci sono altre particelle elementari impreviste? E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 29

30 I laboratori nel mondo CERN, Ginevra E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 30

31 I laboratori nel mondo Fermilab, Illinois E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 31

32 I laboratori nel mondo DESY, Amburgo E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 32

33 I laboratori nel mondo SLAC, Stanford - California E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 33

34 I laboratori nel mondo Laboratori Nazionali di Frascati E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 34

35 Il Large Hadron Collider E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 35

36 Il Large Hadron Collider Il Large Hadron Collider (LHC) è attualmente in costruzione al CERN: nel 2007 dovrebbe iniziare le operazioni LHC è un anello di collisione protone-protone Energie finora mai raggiunte: 7 TeV + 7 TeV Altissima luminosità Quattro grandi esperimenti: ATLAS CMS } uso generale; ricerca del bosone di Higgs, Nuova Fisica LHCb: fisica del mesone B ALICE: fisica nucleare e adronica E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 36

37 Il presente e il futuro Oggi: fisica dei sapori (principalmente B): BABAR, Belle; Modello Standard (top, W): CDF, D0; fisica adronica: CLEO, BES, Domani: nel 2007 inizia l era di LHC; decadimenti rari? (NA48, ); super-fabbrica di B? Dopodomani: acceleratore lineare e + e ad altissima energia; anello di collisione μ + μ?? E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 37

38 ATLAS Fisica ad altissime energie: ricerca del bosone di Higgs; ricerca di nuova fisica (particelle supersimmetriche?) E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 38

39 ATLAS E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 39

40 LHCb Fisica dei mesoni B: decadimenti molto rari; misure di precisione, possibilità di studiare i mesoni B s (bæs) E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 40

41 LHCb QuickTime e un decompressore TIFF (Non compresso) sono necessari per visualizzare quest'immagine. E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 41

42 TOTEM Area sperimentale CMS (IP5) CMS TOTEM Fisica in avanti a LHC: sezione d urto protone-protone elastica e totale; fisica diffrattiva E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 42

43 TOTEM E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 43

44 BABAR Fisica dei mesoni B: violazione della simmetria CP; parametri di mescolamento famiglie; decadimenti rari E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 44

45 BABAR E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 45

46 MEG Violazione del numero leptonico: ricerca del decadimento μ e γ E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 46

47 MEG E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 47

48 Il lavoro del fisico delle particelle E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 48

49 Rivelatori di particelle Progetto, realizzazione e test di rivelatori per esperimento Studi di prestazioni Sviluppo di nuove tecnologie Hardware Elettronica QuickTime e un decompressore TIFF (Non compresso) sono necessari per visualizzare quest'immagine. Progetto di sistemi complessi di acquisizione dati Progetto e realizzazione di schede di acquisizione/elaborazione dati Progetto e realizzazione di nuovi chip dedicati E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 49

50 Software Acquisizione dati Progetto di architetture di acquisizione QuickTime e un decompressore TIFF (Non compresso) sono necessari per visualizzare quest'immagine. Scrittura di codice di lettura/controllo/archiviazione Sviluppo di interfacce utente Analisi Progetto di architetture di ricostruzione/simulazione/analisi dati B 0 K + π B 0 K π + Scrittura di codice specifico Analisi finale dei dati risultati di fisica E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 50

51 Gestione e coordinamento Esperimenti sempre più grandi necessità di una struttura ben organizzata Moltissime posizioni di coordinamento: Gestione generale esperimento: portavoce, coordinatori tecnici, di fisica, di calcolo Coordinatori sotto-rivelatori e responsabili hardware/software sottosistemi Responsabili sotto-sistemi di calcolo Coordinatori gruppi di ricostruzione e analisi Gestione scrittura articoli e presentazioni a conferenze E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 51

52 Competenze e sbocchi professionali Ricerca pura : Università, Enti di Ricerca, Laboratori internazionali Figure specializzate nei centri di ricerca Servizi di calcolo, elettronica, nuove tecnologie Industria e servizi Sviluppo software Gestione sistemi di calcolo e trattamento dati Progettazione e sviluppo elettronica Progettazione sistemi di controllo Tecnologie biomediche Simulazioni di mercato (assicurazioni, società finanziarie) E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 52