A CACCIA DI PARTICELLE. Una breve introduzione alla fisica delle particelle. Sara Furcas

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1 A CACCIA DI PARTICELLE Una breve introduzione alla fisica delle particelle Sara Furcas Liceo Donatelli Pascal - 30 Maggio 2013

2 SOMMARIO Cosa sono le particelle? Il Bosone più famoso ( Higgs) Un esperimento di LHC ( LHCb) ATLAS, CMS, ALICE I Fisici delle Particelle: chi sono e cosa fanno? 2

3 Quali particelle conoscete? Quali sono le particelle elementari e quali non lo sono? 3

4 Dimensioni Uomo metri 10-9 metri metri metri metri metri CELLULA DNA ATOMO NUCLEO PROTONE QUARK: up/down Di cosa sono fatti gli atomi? Qual'è la componente piu' piccola? LE PARTICELLE FONDAMENTALI sono le particelle più semplici. Sono prive di struttura interna e non esiste niente di più piccolo. PROTONI E NEUTRONI?? Non sono fondamentali!! Sono composti da quarks (up/down) che sono responsabili della loro carica elettrica. 4

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6 Alla sua origine l'universo era un insieme di particelle ed energia caldo,denso e OMOGENEO. L'energia veniva convertita in materia e antimateria. Ma l'universo si espande, quindi si raffredda, le particelle acquisiscono massa e qualcosa (fenomeno) differenzia materia e antimateria causandone un'asimmetria. Oggi, dopo 13.7 miliardi di anni, l'universo ha una temperatura di 2.7K ed è formato interamente da MATERIA. Che fine ha fatto l'antimateria? 6

7 Particelle Elementari Le particelle elementari sono soggette ai principi fondamentali della fisica: Legge di Newton F=ma causalita (la causa precede l effetto) conservazione dell energia (E), conservazione dell'impulso (p) e momento angolare (L) Principio della relativita speciale (Einstein) Meccanica quantistica (dualita onda-particella, principio di indeterminazione, quantizzazione dei livelli energetici, etc.) 7

8 Il Modello Standard Da dove nasce la massa delle particelle? Puo' esistere NUOVA FISICA che può essere rivelata ottenendo collisioni ad alta energia 8

9 Costituenti fondamentali Materia e antimateria QUARK LEPTONI Vogliamo capire quali sono le differenze tra materia e antimateria per capire l'origine dell'asimmetra. 9

10 Il Bosone di Higgs David J. Miller University College di Londra (Nella vignetta originale il personaggio famoso era Margaret Thatcher) I fisici rappresentano il mezzo che permea lo spazio. È l eccitazione stessa del mezzo quindi del gruppo di fisici a formare un corpo con una massa consistente, un meccanismo analogo alla formazione del bosone di Higgs. 10

11 Il Bosone di Higgs Einstein fa ingresso nella sala dove si sta tenendo un incontro tra fisici. Attraendo ammiratori, il suo passaggio crea nella stanza una perturbazione che aumenta progressivamente di intensità. Questo aumenta la sua inerzia al moto: Einstein sembra acquistare massa, come una particella che si muove nel campo di Higgs. 11

12 Il Bosone di Higgs 12 em.php?itemid=84

13 Il Bosone di Higgs Il 4 Luglio 2012 l aula seminari del Cern di Ginevra è stata protagonista dell annuncio di una delle più grandi scoperte scientifiche degli ultimi anni Attraverso la presenza del campo di Higgs nello spazio vuoto, è possibile spiegare l origine della massa di tutte le particelle elementari del Modello Standard. Finalmente le diverse masse si spiegano con la differente intensità della loro interazione con il campo di Higgs. 13

14 Il Modello Standard H I G G S H I G G S 14

15 Un tè con Peter Higgs, di Vittorio Del Duca V.DD. Lei sa che Leon Max Lederman (premio Nobel per la fisica nel 1988 e autore di un libro sul bosone di Higgs) ebbe l ardire scherzoso di chiamare il bosone di Higgs, nel titolo del suo libro, The goddamn particle, la dannata particella. P.H. e l editore non glielo permise. V.DD. per ragioni ovvie, giusto? Così lo chiamò The God particle, la particella di Dio. Naturalmente, dato che era solo uno scherzo, non dovremmo dare alla cosa troppa importanza, ma la infastidì in qualche modo? P.H. Sì. Anche se non sono mai stato credente, pensai che quel titolo avrebbe potuto offendere inutilmente. Una volta però passai la notte in un piccolo Bed & Breakfast nel nord della Scozia, prima di prendere un traghetto per le Isole Orcadi. C era una buona collezione di libri in quel posto, e cosa vi trovai se non La particella di Dio?! 15

16 Il Bosone di Higgs: alcuni plot ufficiali 16

17 Il Bosone di Higgs: alcuni plot ufficiali M= /- 0.4 (stat) +/-0.4 (syst) GeV (Moriond 2013 CMS) 17

18 CERN Il CERN in 3 minuti LHC in 10 minuti (italiano) 18

19 LHC CMS Circonferenza 27 Km Collisioni protoni protoni 4 grandi esperimenti LHCb ALICE ATLAS 19

20 20 August 2008 First injection test August, 2011 November 29, x 1033, 2.6 fb bunches Beam back September 10, 2008 June First beams around April 2010 October bunches 1 x bunches July, 2012 Higgs like discover y 6 June, x 1033 Squeeze to 3.5 m March 30, 2010 September 19, 2008 Disaster Accidental release of 600 MJ stored in one sector of LHC dipole magnets November 2010 Ions First collisions at 3.5 TeV 18 June, fb-1 to ATLAS & CMS LHC Timeline

21 Le particelle elementari hanno masse piccolissime e quindi le forze negli acceleratori, e quindi nell'universo, le accelerano a velocità vicine a quelle della luce. Lhc entra in funzione nel settembre del 2008 ma, pochi giorni dopo, si è costretti a spegnere la macchina per un incidente a una connessione fra i magneti superconduttori. Il guasto viene riparato e l acceleratore riparte nel novembre del Fonte Immagini: M.Mangano (CERN)

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23 Gli scopi del Large Hadron Collider (LHC) scoprire il pezzo mancante del Modello Standard, cioe il bosone di Higgs l osservazione del bosone di Higgs, e la misura delle sue proprieta, completeranno la comprensione della dinamica del Modello Standard, confermando la nostra presunta comprensione di come le particelle acquistano massa cercare altre possibili interazioni fondamentali, troppo deboli per essere state osservate finora cercare possibili nuove generazioni di quarks o leptoni e verificare la natura elementare delle particelle conosciute scoprire evidenza diretta della particella responsabile per la materia oscura nell Universo 23

24 LHCb LHCb è uno SPETTROMETRO IN AVANTI: le particelle dopo la collisione vengono prodotte in avanti e noi andiamo a cercarle nel corrispondente angolo solido. 8m 20m 24

25 Montaggio di un esperimento 25

26 GIUGNO

27 Differenti rivelatori per differenti particelle 27

28 Cosa ricostruiamo e con quali rivelatori Ciascun sotto-rivelatore è ottimizzato per misurare differenti caratteristiche delle particelle prodotte nella collisione Posizione Posizione Vertice Vertice Carica Carica Velocità Velocità Impulso Impulso Energia Energia Massa Massa 28

29 Cosa vediamo 29

30 Rivelatore di Vertice Si trova nel punto dove collide il fascio Usa dei sensori di silicio È necessaria un'alta risoluzione perchè il B non vive a lungo (10-12s) Posizione Posizione Vertice Vertice Carica Carica Velocità Velocità Impulso Impulso Energia Energia Massa Massa 30

31 Trackers Sono disegnati per tracciare il percorso di ogni particella che li attraversa. Sono di diversi tipi: - microstrip di silicio - tubi riempiti di gas (straw tube) Posizione Posizione Vertice Vertice Carica Carica Velocità Velocità Impulso Impulso Energia Energia Massa Massa 31

32 RICH Sono due posti prima e dopo il magnete Sono posizionati in modo da intercettare le particelle che volano con diversa velocità e direzione Posizione Posizione Vertice Vertice Carica Carica Velocità Velocità Impulso Impulso Energia Energia Massa Massa 32

33 RICH: effetto Cherenkov Una particella che viaggia in un mezzo in cui è presente un gas denso con una velocità maggiore della velocità della luce in quel mezzo viene misurata una radiazione misurata dai RICH La particella che viaggia emette un cono di luce chei rivelatori riflettono in un insieme di specchi. La forma del cono dipende dalla velocità della particella. Dall'impulso si può determinare la massa e quindi l'identità. 33

34 Calorimetri Sono dopo i RICH e misurano l'energia di una particella. Bloccano la particella e misurano l'energia rilasciata nel materiale (è una misura distruttiva!) CALORIMETRI ADRONICI - sciami CALORIMETRI ELETTROMAGNETICI - elettroni e fotoni Posizione Posizione Vertice Vertice Carica Carica Velocità Velocità Impulso Impulso Energia Energia Massa Massa 34

35 Camere per Muoni 5 stazioni di rivelatori per i Muoni poste dopo i calorimetri che non fermano i muoni. Diverse tecnologie CAMERE A FILI (MWPC) CAMERE A TRIPLA GEM sono essenzialmente tracciatori. Ciascun rivelatore è riempito con una miscela di gas che aiuta ad amplificare il segnale, che viene poi letto da un'oppurtuna elettronica Posizione Posizione Vertice Vertice Carica Carica Velocità Velocità Impulso Impulso Energia Energia Massa Massa 35

36 Elettronica per l'acquisizione dei dati 36

37 Misura di antimateria a LHCb Pur prodotte originariamente in quantità uguali, materia e antimateria p hanno avuto destini diversi: l antimateria è rapidamente scomparsa, a causa di un più marcato decadimento delle sue particelle p Mesoni Bs (b-s) Decadono in particelle più stabili dopo una frazione di secondo. Bs e anti-mesoni Bs decadono in modo non speculare 676 casi di anti-mesoni Bs 389 casi di mesoni Bs MA questa asimmetria non è sufficientemente ampia da spiegare la pressoché totale scomparsa dell antimateria nell universo... Il mistero continua! 37

38 Misura di antimateria a AMS 30 Marzo 2013, Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) 38

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40 Fisici delle Particelle al CERN LHCb è una piccola collaborazione 700 Membri 50 Istituti 15 Stati ingegneri tecnici fisici (montaggio e monitor del sistema) fisici (presa dati) fisici (analisi dati) è una piccola comunità internazionale che lavora e vive per brevi o lunghi periodi a Ginevra coprendo turni 24 ore su 24 e 7 giorni su 7! 40

41 La Fisica che studiamo... I pinguini 41

42 Fasi di lavoro in un esperimento Progettazione (Letters of intent) progetto, scopo, costi e durata Costruzione di un esperimento Si ottimizzano I rivelatori che si vogliono Utilizzare in base al tipo di misura e alle particelle che si devono rivelare Montaggio HARDWARE: Test di funzionamento, calibrazione degli strumenti, sincronizzazione Preparazione dell'acquisizione dati (scelta del trigger - online) SOFTWARE: Simulazione dell'analisi per stimare tempi e per comprendere cosa ci si aspetta Scelta degli eventi da salvare Accensione... Acquisizione dati e analisi ONLINE Analisi dei dati, confronti tra gruppi che fanno la stessa analisi Presentazione dati durante working group dell'esperimento e Durante le conferenze NASCONO NUOVE DOMANDE 42 nuove analisi e. nuovi esperimenti!

43 Implicazioni sulla vita di tutti i giorni Nascita del www esigenza di scambiarsi dati, opinioni e notizie Sviluppo dell'elettronica di precisione ci servono strumenti velocissimi sia per salvare i dati in diretta, sia per analizzarli Sviluppo tecnologico negli acceleratori fisica medica FISICA MEDICA diagnosi (raggi X, TAC, PET, risonanza magnetica) FISICA MEDICA cura (radioterapia, adroterapia,...) Ma anche... telefonini, WIFI, X-BOX, ipad, chiavette & hard disk, forno a microonde, mp

44 Link utili Rivista Online Asimmetrie

45 A. Cardini Interviste INFN F.Gianotti minuti CERN in tre minuti (inglese) LHC (italiano) 10 minuti LHCb P.Campana Corriere Scienza Tonelli CMS 45 minuti 45

46 Materia-Antimateria LHCb (materia antimateria, la scoperta dell'antimateria, la scomparsa dell'antimateria) Modello standard (parte V un po' tecnica) Bosone di Higgs Bel libro di Amaldi pubblicato nel 2012 dopo la misura della massa dell'higgs, scritto con un linguaggio semplice e chiaro: Monografia non aggiornata nei dati ma dove è presente una buona parte teorica 46

47 ATLAS Fisica di atlas (italiano)* apparato sperimentale (italiano)* *sul menù a sinistra compaiono anche altri link con dettagli del rivelatore... CMS apparato sperimentale (inglese) Fisica di CMS ALICE apparato sperimentale 47