L'avventura di LHC alla scoperta delle origini dell'universo.!

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1 L'avventura di LHC alla scoperta delle origini dell'universo. Guido Tonelli CERN/INFN/Università di Pisa 1

2 Stiamo entrando in una nuova era della scienza di base. Il Large Hadron Collider (LHC), una delle imprese scientifiche più ambiziose mai tentate fino ad ora, può essere un punto di svolta LHCb CMS nella fisica delle particelle. CMS Siamo all inizio dell esplorazione di una nuova frontiera dell energia ALICE ATLAS Lʼanello di LHC : 27 km di circonferenza. 2

3 Cosa si cerca ad LHC Qual è lʼorigine della massa. Cosʼè la materia oscura che tiene insieme gli ammassi di galassie. Quante sono le forze che agiscono nel nostro universo e perché sono così diverse fra loro. Quante sono realmente le dimensioni in cui viviamo. Ci sono buoni motivi per pensare che la risposta a queste domande possa venire dallo studio delle collisioni ad altissima energia che avvengono in LHC. 3

4 Cosa sappiamo veramente del nostro Universo? Big Bang 13.7 Miliardi di Anni cm Oggi

5 Il 25% circa dellʼuniverso è fatto di Gasesous Matter materia oscura Collisione fra due ammassi di Bullet Cluster Clowe et al. Direct evidence for collisionless Dark Matter Chandra, Magellan, HST, Gravitational Lensing 5

6 Il 70% (circa) dellʼuniverso è fatto di energia oscura Scoperta recente : anni fa. Il nostro universo si espanderà per sempre. La velocità di espansione sta crescendo Lʼintero universo è immerso in una nuova forma di energia, completamente sconosciuta che agisce come una sorta di anti-gravità che accelera le galassie e le separa. 6

7 La nostra ignoranza è immensa. Materia conosciuta 5% Energia Oscura 72% Materia Oscura 23% ciò che conosciamo sono poche gocce; quello che non conosciamo è un oceano Isaac Newton

8 La materia conosciuta è fatta di particelle che interagiscono tramite forze portate da altre particelle. 8

9 Perché le masse dei costituenti elementari della materia e dei campi di forze sono così diverse fra loro? Le particelle che formano la materia hanno masse comprese fra ~ 0 e circa 170GeV mentre le particelle che producono le interazioni hanno masse comprese fra 0 e circa 90GeV. Come può essere che lo stesso fotone privo di massa possa portare la stessa interazione elettrodebole di un W o uno Z che hanno masse GeV? La soluzione più semplice (Higgs, Kibble, Brout, Englert 1960 s) Tutte le particelle sono prive di massa Un nuovo campo scalare pervade l universo. Le particelle acquistano massa interagendo con questo campo. Piò forte è l interazione maggiorè la massa. 9

10 Il meccanismo di Higgs Ma il bosone di Higgs potrebbe non essere solo. Come tutte le vere star il bosone di Higgs non viaggerebbe mai da solo. Se verrà scoperto si potrebbe presentare circondato da una sorta di guardie del corpo, altre particelle massicce che lo proteggerebbero dall interagire con se stesso. Sarebbero le particelle supersimmetriche. 10

11 Una elegante congettura: la supermateria Per ciascuna particella conosciuta ci sarebbe un partner supersimmetrico: una super-particella. Vedremmo di colpo raddoppiare la famiglia delle particelle. Se la supersimmetria fosse davvero una simmetria della natura scopriremmo la faccia nascosta della materia. Un gas di pesanti neutralini potrebbe essere la spiegazione della materia oscura che tiene insieme le galassie. Sarebbe una rivoluzione nella nostre concezione dellʼuniverso. 11

12 Lʼunificazione di tutte le forze. Il sogno di tutti i fisici; la madre di tutte le sfide. 12

13 La Super-simmetria ci avvicinerebbe allʼ unificazione delle forze. Tutte le interazioni conosciute potrebbero essere considerate come figlie di una singola super-forza primordiale. Nel passaggio dalle estreme temperature dellʼuniverso bambino allʼuniverso freddo e vecchio che ci circonda oggi, la super-forza potrebbe essersi cristallizzata nelle diverse forme che ci sono familiari Standard Model Super-symmetry 13

14 Extradimensioni. Le interazioni fondamentali (forte ed elettrodebole) sembrerebbero provenire da una unica superforza. La gravità sembrerebbe fare eccezione perché troppo debole. Grande idea qualche anno fa. La gravità NON E debole. Ci APPARE debole perché la osserviamo in un mondo a 4 dimensioni. Se invece assumessimo che il nostro universo si sviluppa in 5-10 dimensioni, di colpo la gravità ci apparirebbe molto più forte rispetto alla sua debole proiezione nel mondo in 4D cui siamo abituati ed avremmo a portata di mano la Grande Unificazione delle Forze. 14

15 Tutte queste sono teorie molto eleganti Ma per verificarle dobbiamo scoprire lʼhiggs, le particelle supersimmetriche e le particelle molto massicce previste dai modelli di extra-dimensioni (~200GeV- qualche TeV) Per ora tutte queste particelle non sono state osservate. Questo potrebbe essere dovuto al fatto che a) Le teorie sono sbagliate b) Non siamo stati in grado di produrle perché lʼenergia degli acceleratori usati fino ad ora era troppo bassa. Ricordiamoci che per produrre una massa m abbiamo bisogno di una energia E=mc 2. Per ora, gli esperimenti più moderni hanno prodotto e studiato particelle di massa ~100GeV. Vediamo cosa ci vuole per produrre e studiare masse~tev 15

16 Perché urti fra particelle ad i) Alta energia= alto potere di penetrazione per scandagliare i minimi dettagli (E α 1/size), ( LHC è un potentissimo microscopio ) ii) Si possono produrre e studiare in laboratoiro nuove particelle, più pesanti rispetto a quelle più comuni; particelle che esistevano nei primi istanti di vita dell Universo bambino e che sono sparite dall Universo vecchio e freddo che ci circonda oggi (E = mc 2 ) ( LHC è un potentissimo telescopio ), iii) Ci permette di portare la materia ad altissime energie (E= kt) portandoci indietro nel tempo ai primi istanti di vita dell Universo ( LHC è una specie di macchina del tempo ). altissime energie? De Broglie Boltzmann Einstein

17 Le due frontiere della conoscenza sono Big Bang intimamente connesse. Protone Atomo Raggio della Terra Distanze Terra Sole Raggio delle galassie LHC Universo Super-Microscopi Si producono e si studiano particelle che popolavano l Universo primordiale pochi istanti dopo il Big Bang. Studiare le collisioni ad alta energia è come fare un viaggio all indietro nel tempo. Hubble WMAP ALMA VLT Super-Telescopi

18 Per registrare e studiare le particelle prodotte nelle collisioni di LHC occorrono enormi apparati chiamati rivelatori. ATLAS CMS 18

19 Il gigante di LHC: ATLAS IL RIVELATORE ATLAS 44 m di lunghezza 25 metri di altezza 7500 tonnellate di peso Fabiola Gianotti, scienziata italiana alla testa di ATLAS 19

20 ECAL 76k scintillating PbWO 4 crystals HCAL Scintilator/brass interleaved CMS 3.8T Solenoid IRON YOKE MUON ENDCAPS Cathode Strip Ch. (CSC) and RPC YBO YB1-2 Peso totale t Diametro 15m Lunghezza 28.7m Tracker Pixels (100x150 µm 2 ) ~ 1m 2 66M channels Silicon Microstrips ~ 207m 2 9.6M channels MUON BARREL Drift Tubes (DT) and

21 Immaginate una enorme e velocissima macchina fotografica digitale. Gli eventi interessanti- le particelle molto pesanti- sono rarissimi. Bisogna raccogliere un numero spaventoso di collisioni per avere qualche speranza di identificare al loro interno una manciata di bosoni di Higgs. ATLAS e CMS possono essere visti come enormi macchine fotografiche digitali da 100Megapixel che possono scattare fino a 40 milioni di foto al secondo. Non tutte le foto sono archiviate. In una frazione di secondo si decide se la foto può contenere qualcosa di interessante o se non vale la pena di tenerla. Per ogni secondo si registrano su disco soltanto le 300 che sembrano più promettenti. 21

22 Una fotografia tipica. November/December 2009 first LHC collisions 22

23 La Collaborazione CMS > 3000 scienziati di tutti i continenti ~ ¼ delle persone che hanno costruito CMS

24 Lʼintero mondo che lavora insieme 3381 scienziati (circa 600 ingegneri ed 840 studenti) provenienti da 182 università e centri di ricerca di 40 paesi in tutti i continenti. Russia USA Austria Uzbekistan Ukraine Georgia Belarus UK Armenia Turkey Brazil Serbia China, PR Pakistan China (Taiwan) Lithuania Mexico Korea Iran New-Zealand Colombia Croatia Cyprus Ireland India Estonia Belgium Bulgaria CERN Finland France Germany Italy Poland Portugal Greece Hungary Spain Switzerland 24

25 La caverna di CMS

26 Un concentrato delle più moderne tecnologie. 26

27 30/3/ :58 : Collisioni a 7TeV 27

28 November 2010: Pb-Pb collisions in LHC s NN =2.76TeV

29 L idea di base Comprimendo una grossa quantità di energia in un piccolissimo volume si riscalda la materia a temperature estreme O(10 12 K) ~ 10 5 x T al centro del sole ~ T dell Universo ~ 10 µs dopo il Big Bang Come si comporta la materia in queste condizioni? à abbiamo visto che si forma un nuovo stato della materia, una specie di fluido perfetto in cui si pensa che Quark e Gluoni siano liberi. à Questo nuovo stato della materia si comporta in maniera molto peculiare.

30 Soppressione di getti

31 La paura dellʼerrore, la nostra più cara compagna di viaggio. Se si trova nei dati una anomalia che potrebbe indicare la presenza di un fenomeno nuovo, come si fa ad essere sicuri della scoperta? Fare gli scienziati vuol dire dubitare sempre di tutto. Partire sempre dallʼipotesi che ci stia sfuggendo qualcosa di importante. Prima cerchiamo lʼerrore allʼinterno della collaborazione. Se non riusciamo a trovarlo pubblichiamo tutti i dati in maniera che ci possano provare tutti gli altri scienziati. Gli scienziati considerano una scoperta valida quando a) è stata verificata da due o più esperimenti ed è riproducibile b) la probabilità di errore statistico in ciascun esperimento è stata ridotta ben al di sotto di una parte per milione. 31

32 Come ci si protegge? Non esiste una ricetta sicura al 100%. Calibrazioni, calibrazioni, calibrazioni. Non trascurare mai anche il minimo dettaglio. Essere paranoici nel cercare di considerare tutte le possibili cause di errori strumentali. Chiedere a gruppi diversi nello stesso esperimento di fare la stessa misura usando programmi e selezioni diverse. Ripetere le prove più e più volte per verificare che si riproducono gli stessi risultati : accumulare statistica. Avere altri esperimenti che ripetono la stessa misura con apparati e persone completamente diversi. 32

33 Prima di provare a scrivere una poesia nuova, devi conoscere a memoria tutte le poesie scritte fino ad ora Il vecchio saggio al giovane che voleva fare il poeta.

34 Esempio di calibrazione dei rivelatori: si riscoprono tutte le particelle conosciute.

35 Esempio di controllo degli effetti strumentali: la ricerca della supermateria Particelle supersimmetriche prodotte ad LHC si tradurrebbero in eventi nei quali, per la presenza degli inafferrabili e pesanti neutralini, si vedrebbe un grosso sbilanciamento nellʼimpulso e nellʼenergia trasversa. 35

36 Migliaia di neutralini vengono scoperti ogni giorno in CMS: tutti dovuti a difetti strumentali o ad interazioni con raggi cosmici o muoni dellʼalone del fascio 36

37 Esempio di ricerca di eccessi statisticamente significativi: extradimensioni

38 Ricerca di indizi di possibili di extradimensioni: monogetti. p T jet = 602 GeV E T miss = 523 GeV Un evento mono-getto ad alto p T. Interpretazione nell ambito dello SM Z νν + getto.

39 Ricerca di indizi possibili di extradimensioni: micro buchi neri.

40 Esempio di ricerca di conferme in più esperimenti e di aumento della significativa statistica del segnale: il bosone di Higgs L elusiva particella, che è stata ipotizzata per spiegare l origine della massa, non sappiamo ancora con certezza se esiste e che massa ha. Tuttavia nel dicembre scorso al CERN. 40

41 Limiti di esclusione per lo SM Higgs La presenza del bosone di Higgs è stata esclusa in tutta la regione di massa da circa 600 GeV fino a GeV.

42 Limiti di esclusione per lo SM Higgs Non riusciamo ad andare al di sotto dei 127GeV per un modesto eccesso di eventi che è visto in entrambi gli esperimenti e che sembra accumularsi intorno a 125 GeV. Potrebbe essere il primo indizio del bosone ma potrebbe ancora essere una maligna fluttuazione statistica. I nuovi dati che prenderemo nel 2012 ci permetteranno di capire meglio cosa succede esattamente.

43 Un evento candidato H γγ

44 Un evento candidato Hà 2e2μ mm 4l =124.3 GeV mm 2l =76.8, 45.7 GeV 44

45 Conclusione Ad LHC abbiamo appena iniziato una esplorazione sistematica di una nuova regione di energia con strumenti scientifici molto sofisticati. Ci sono già ricadute significative dei progessi tecnologici che si sono realizzati con la produzione di LHC e dei suoi strumenti scientifici (superconduttività, nuovi sensori e nuovi materiali, optoelettronica, la GRID). Cʼè un certo ottimismo al CERN sulla possibilità di dire qualcosa di definitivo sulla presenza o meno del bosone di Higgs nelle collisioni di LHC. Sarà necessario avere ancora qualche mese di pazienza per raccogliere ed analizzare i nuovi dati del Rimanete in ascolto. 45

46 Lʼ impatto sulla nostra società n Le nuove tecnologie sviluppate per gli acceleratori ed i rivelatori del CERN stanno giaʼ cambiando le nostre vite. Tecnologia dellʼinformazione - il WEB e la GRID Medicina nuovi sistemi diagnostici e nuove terapie. 46

47 Avere una visione del mondo è stato il nostro principale vantaggio evolutivo. Molte scimmie antropomorfe usano attrezzi per aumentare le loro chance di sopravvivenza. Ma, per ora, solo lʼ Homo sapiens-sapiens è stato capace di raggiungere livelli così elevati di sofisticazione. Tutto questo è in gran parte dovuto alla scienza moderna. Una scoperta relativamente recente.

48 Solamente 400 anni fa. Supernova 1604 Il 9 Ottobre 1604, una nuova stella, molto brillante, compare nei cieli. Molti la osservano come per gioco. Una persona decide di farlo con uno strumento nuovo, considerato dai più un giocattolo o una curiosità: il cannocchiale. Quellʼuomo si chiamava Galileo Galilei. Dopo anni di lavoro e di osservazioni il quadro divenne chiaro. In particolare, guardando Giove ed i suoi satelliti, lo scienziato si trovò a contemplare un mini sistema solare. E lo scrisse Bisognava abbandonare la vecchia visione del mondo. Eʼ la data di nascita della modernità Sidereus Nuncius