Facciamo un esperimento di Fisica delle Particelle

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1 Facciamo un esperimento di Fisica delle Particelle Salvatore Mele Perché studiamo la fisica delle particelle Particelle, forze, mediatori Il bosone Z 0 L acceleratore LEP al CERN Come si riconoscono i bosoni Z 0 Un cenno al futuro Domande, domande ed ancora domande!

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4 Perché studiamo la fisica delle particelle? Teoria : L universo comincio con un esplosione dall energia quasi infinita Il Big Bang Tempo secondi Energia GeV Temperatura K

5 Queste strane unità di misura secondi = (un milionesimo di miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo) volte più corto che un battito di cuore K = (trecento miliardi di miliardi di miliardi) volte più caldo che in questa stanza GeV = (cinquanta milioni di miliardi di miliardi) volte più energia che nella presa della corrente

6 Perché studiamo la fisica delle particelle? Teoria : L universo comincio con un esplosione dall energia quasi infinita Il Big Bang Tempo secondi Energia GeV Temperatura K L Universo è simmetrico

7 In un corto periodo di tempo l Universo cresce velocemente Big Bang s s 10-4 s 100 s anni 2005 d.c. Tempo secondi Energia GeV Temperatura K L Universo è grande solo metri Confrontato alle dimensioni attuali è come fossero solo 3 metri

8 L Universo continua a crescere e non è più simmetrico Big Bang s s 10-4 s 100 s anni 2005 d.c. Tempo secondi Energia 10 2 GeV Temperatura K Quest energia è la più alta mai ricreata in laboratorio Oggi VOI studierete qualcosa che è stato creato a quest energia: i bosoni Z

9 Appaiono i protoni ed i neutroni di cui siamo fatti Big Bang s s 10-4 s 100 s anni 2005 d.c. Tempo 10-4 secondi Energia 1 GeV Temperatura K L Universo è grande quanto il nostro sistema solare!!

10 L universo si raffredda: protoni e neutroni si legano Big Bang s s 10-4 s 100 s anni 2005 d.c. Tempo 100 secondi Energia 10-4 GeV Temperatura 10 9 K Si formano nuclei di elio Questo processo continua oggi nelle stelle.

11 Si formano atomi leggeri L Universo diviene trasparente Big Bang s s 10-4 s 100 s anni 2005 d.c. Tempo anni Energia 10-9 GeV Temperatura 10 4 K La lucesipropaga senza essere completamente assorbita Si possono applicare le teorie dell astronomia

12 Nascita delle galassie ed atomi pesanti Big Bang s s 10-4 s 100 s anni Tempo 1 miliardo anni Energia zero Temperatura 18 K (-255 gradi) Appaiono atomi pesanti, come il ferro Abbiamo una fotografia di quell epoca! La luce ci mette 1 miliardo di anni per fare metri! 2005 d.c.

13 Oggi, il genere umano che ha capito tutto questo Big Bang s s 10-4 s 100 s anni 2005 d.c. Tempo 15 miliardi anni Energia zero Temperatura 3 K (-270 gradi)

14 La storia dell Universo dal Big Bang ad oggi simmetria caos Fisica delle particelle elementari (alte energie) Astronomia Chimica Biologia Una sola teoria che spiega tutto Diverse teorie e scienze per descrivere la natura

15 Teoria ed esperimento: quanto abbiamo esplorato l Universo? simmetria caos Energie troppo grandi Non possiamo produrle in laboratorio Raggi cosmici Estrapolazione Oggi! Studiato in laboratorio! Un unica teoria descrive la Natura fino ~200 GeV : Il Modello Standard

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18 Riassunto delle puntate precedenti: La Fisica delle Particelle (Fisica Subnucleare, Fisica delle Alte Energie) studia i costituenti ultimi della materia Ma questa è solo metà della storia occorre studiare le interazioni fra particelle, ovvero le forze della Natura

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20 Come si esercitano le forze tra particelle? basketballfinal.swf Mediatore, bosone vettore, bosone intermedio

21 Quali sono i bosoni vettori e che forze mediano?

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23 Il quadro completo

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25 Esiste una sola teoria per spiegare tutto l Universo? Limite sperimentale odierno Elettromagnetica Debole Forte Gravitazionale

27 L argomento di oggi: il bosone Z 0 (Per gli amici, la Z)

28 Perché la Z è importante? Se si comprende il comportamento del bosone Z, si comprende l interazione debole (o meglio elettro-debole) simmetria caos e ci si avvicina al mistero di come l Universo abbia smesso di essere simmetrico

29 Principio di indeterminazione di Heisenberg : E x t > h/2 per una particella pesante come una Z la vita media t èdisoli secondi La Z decade in ogni particella che senta l interazione debole Z->particella+antiparticella Tutte! o quasi! m t =175GeV 2m t =350GeV m Z = 91GeV Studiando I decadimenti della Z capiamo l intensità della forza debole!

30 Rapporti di decadimento (= Branching Ratios ) della Z Branching ratios = quanto spesso decade in una certa coppia particella-antiparticella sul totale BR(Z-> µ+µ ) = Numero(Z-> µ+µ ) / Numero(Z) Un analogia: un secchio bucato L acqua può uscire dai diversi fori ed in diverse quantità a seconda del diametro dei fori Z 0 e+e- µ+µτ+τ- qq νν Esercizio di oggi: misurare i Branching Ratios

31 A che servono i Branching Ratios della Z? >La teoria suggerisce che l interazione debole è la stessa per tutti i leptoni e quindi dovremmo trovare BR(Z-> e + e - ) = BR(Z-> µ + µ - ) = BR(Z-> τ + τ - ) >La differenza tra BR(Z-> l + l - ) e BR(Z-> qq) è una quantità importante della teoria >Di nuovo il secchio: I neutrini non si vedono! Sappiamo quante Z ci sono Contiamo tutto il resto La differenza è BR(Z->νν) Ricaviamo il numero di ν (2.984 ± 0.008) Z 0 e+e- µ+µτ+τ- qq νν

32 Un po di storia: la teoria L idea che il bosone Z possa esistere (premio Nobel 1979) 1972 Strumenti matematici per descrivere le interazioni elettro-deboli (premio Nobel 1999) ma le teorie vanno verificate, altrimenti non saremmo qui!

33 Il fondatore della scienza moderna Galileo Galilei

34 CERN, 1982, la scoperta del bosone Z Collisioni protone-antiprotone 630GeV

35 1984: premio Nobel a Rubbia e van der Meer +139 autori

36 Cinque eventi vanno bene per vincere un premio Nobel, non per una misura di precisione dei Branching Ratios! Idea: costruire un acceleratore di elettroni e positroni per produrre milioni e milioni di bosoni Z con e + e - ->Z: LEP

38 Lo strumento scientifico più grande del mondo Opal Delphi L3 Aleph

39 Se il LEP fosse stato qui Quanti sono 27 km?

40 Diametro tanto grande da sembrare lineare

41 e da spostarcisi in treno!

42 Uno dei quattro rivelatori: L3

44 Come si rivelano i bosoni Z Lavoro da detective seguire gli indizi per ricostruire quello che è successo

45 Useremo dati del rivelatore DELPHI resi pubblici a scopo didattico

46 Il rivelatore DELPHI Parte centrale barrel Parte laterale, endcap

47 I rivelatori sono fatti a cipolla

48 Vogliamo rivelare elettroni, muoni, tau e quarks

50 Z->e + e - :due tracce e due clusters nel calorimetro elettromagnetico

53 Z->µ + µ - :due tracce, piccoli clusters nei calorimetri e hits nelle camere a mu

54 Come si rivelano i quarks? Interazione forte, tanto più forte tanto più due quarks si allontanano! Idea 1972, premio Nobel 2004 e + e - -> Z -> qq risulta in circa 20 particelle cariche (piu altri fotoni ): un jet adronico

55 Come si rivelano gli adroni nei jets dei quarks?

56 Come si rivelano gli adroni nei jets dei quarks?

57 Z->qq: molti adroni in due jets e quindi molte tracce e molti clusters nei calorimetri

58 Ci restano solo i τ I τ decadono, ricordate E x t > h/2π?! m e = 0.005GeV, m µ =0.1GeV, m τ =1.8GeV τ >e+ν+ν, τ >µ+ν+ν, τ >ν+adroni Quindi Z >ττ può dare e+e+neutrini, e+µ+neutrini, µ+µ+neutrini e+adroni+neutrini, µ+adroni+neutrini Eventi con poche tracce ed energia mancante : i neutrini non si vedono!

59 Esempio Z >τ + τ e+adroni+neutrini

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61 Che succede oggi pomeriggio? Vi dividete in 10 gruppi Ogni gruppo studia un diverso campione di eventi Ogni gruppo conta quanti eventi con decadimenti della Z in elettroni, muoni, tau o quark trova Confrontiamo i risultati e li mettiamo insieme Ci colleghiamo in videoconferenza con il CERN e con 5 altre scuole europee e diamo i nostri risultati Alcune altre scuole hanno analizzato i risultati di un altro esperimento (OPAL) Combiniamo tutti i risultati!

63 LEP spento il 3/11/2000 Acceleratore e rivelatori rimossi per fare spazio a

64 La prossima frontiera in fisica delle alte energie: LHC simmetria caos Energie non esplorate Oggi! LHC nel Esplorerà l energia dove l Universo ha smesso di essere simmetrico, il punto piu importante per capire come funzioni! Studiato in laboratorio! Un unica teoria descrive la Natura fino ~200 GeV : Il Modello Standard

65 LHC: la prossima frontiera ATLAS CMS Un acceleratore di protoni da nel tunnel di LEP Costruzione TeV(=14000GeV) 5/3/2005 Il primo magnete Ne mancano 1231!

66 Lo scavo di due immense caverne per gli esperimenti

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68 ATLAS

69 LHC potrebbe scoprire la Grande Unificazione Limite sperimentale odierno

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