Higgs, il bosone sopravvissuto (ovvero quanto è dura rompere una simmetria)
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- Lorenzo Cuomo
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1 Higgs, il bosone sopravvissuto (ovvero quanto è dura rompere una simmetria) Dott. Alex Casanova 1 1 Gruppo Divulgazione Scientifica Dolomiti E. Fermi Belluno 26/01/2013 A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
2 Rassegna stampa / 1 A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
3 Rassegna stampa / 2 A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
4 Rassegna stampa / 3 A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
5 Rassegna stampa / 4 L avvenimento scientifico dell anno 2012 secondo Science A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
6 Introduzione Perché particella soppravvissuta? Cosa significa? Perché il bosone di Higgs è così importante? A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
7 La Simmetria Definizione Abbiamo una simmetria quando un oggetto non cambia, è invariante, a seguito di una trasformazione. A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
8 La Simmetria nell Architettura A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
9 La Simmetria nell Architettura A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
10 La Simmetria nell Arte M. C. Escher (Leeuwarden, 17 giugno Laren, 27 marzo 1972) A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
11 La Simmetria nell Arte M. C. Escher (Leeuwarden, 17 giugno Laren, 27 marzo 1972) A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
12 La Simmetria in Matematica La sfera è simmetrica per rotazioni attorno ad un qualsiasi asse passante per il centro A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
13 La Simmetria in Fisica Schema di classificazione: A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
14 La Simmetria di Gauge Le simmetrie interne continue vengono definite simmetrie di gauge (calibro). Conseguenze: leggi di conservazione (conservazione della carica elettrica, leptonica, barionica,...); regole di selezione. Le simmetrie regolano i fenomeni naturali. A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
15 Simmetrie di Gauge e Massa Le simmetrie di gauge sono state applicate con successo nello studio delle interazioni fondamentali. Conseguenze: le interazione sono mediate da particelle (mediatori delle forze); i mediatori sono privi di massa; il raggio d azione dell interazione è infinito. Problema: sperimentalmente l interazione debole agisce a corto raggio. A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
16 Simmetrie di Gauge e Massa Le simmetrie di gauge sono state applicate con successo nello studio delle interazioni fondamentali. Conseguenze: le interazione sono mediate da particelle (mediatori delle forze); i mediatori sono privi di massa; il raggio d azione dell interazione è infinito. Problema: sperimentalmente l interazione debole agisce a corto raggio. A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
17 Simmetrie di Gauge e Massa Le simmetrie di gauge sono state applicate con successo nello studio delle interazioni fondamentali. Conseguenze: le interazione sono mediate da particelle (mediatori delle forze); i mediatori sono privi di massa; il raggio d azione dell interazione è infinito. Problema: sperimentalmente l interazione debole agisce a corto raggio. A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
18 Simmetrie di Gauge e Massa Le simmetrie di gauge sono state applicate con successo nello studio delle interazioni fondamentali. Conseguenze: le interazione sono mediate da particelle (mediatori delle forze); i mediatori sono privi di massa; il raggio d azione dell interazione è infinito. Problema: sperimentalmente l interazione debole agisce a corto raggio. A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
19 Simmetrie di Gauge e Massa Le simmetrie di gauge sono state applicate con successo nello studio delle interazioni fondamentali. Conseguenze: le interazione sono mediate da particelle (mediatori delle forze); i mediatori sono privi di massa; il raggio d azione dell interazione è infinito. Problema: sperimentalmente l interazione debole agisce a corto raggio. A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
20 La Rottura Spontanea della Simmetria L esempio di Yoichiro Nambu: Consideriamo una sbarra elastica dritta posizionata verticalmente. Ha una simmetria per rotazione; appare uguale da ogni direzione orizzontale lungo il quale la osserviamo. Ma se applichiamo una pressione crescente ad un estremo, la sbarra si piegherà in qualche direzione e la simmetria andrà persa. La sbarra si potrà piegare in ogni direzione essendo tutte equivalenti. Nobel Lecture, 2008 [1] A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
21 La Rottura Spontanea della Simmetria A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
22 La Rottura Spontanea della Simmetria L esempio della sfera: posizionare un gancio su una sfera significa rompere spontaneamente l iniziale simmetria per rotazione. A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
23 Il Meccanismo di Higgs In cosa consiste il meccanismo di Higgs? Quali sono i suoi ingranaggi virtuali-matematici? A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
24 Il Meccanismo di Higgs Il quadro storico tra il 1960 e il 1963: Glashow: modello di unificazione dell interazione debole con la forza elettromagnetica basato su una particolare simmetria di gauge; Nambu, Jona-Lasinio: primi modelli di rottura spontanea delle simmetria; Goldstone: la rottura spontanea delle simmetrie di gauge comporta l esistenza di particelle prive di massa (bosoni di Goldstone). A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
25 Il Meccanismo di Higgs Peter Ware Higgs (Newcastle upon Tyne, 29 maggio 1929) A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
26 Il Meccanismo di Higgs A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
27 Il Meccanismo di Higgs Primo passo: introduzione di un nuovo campo (il campo di Higgs) La curva rappresenta il potenziale di Higgs (profilo energetico). La pallina, con il suo movimento lungo il profilo, rappresenta il campo di Higgs con le sue eccitazioni. Il minimo della curva rappresenta lo stato di vuoto quantistico (minimo energetico). A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
28 Il Meccanismo di Higgs Secondo passo: rottura spontanea della simmetria Il potenziale di Higgs assume un profilo dove il minimo non è più simmetrico A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
29 Il Meccanismo di Higgs Secondo passo: rottura spontanea della simmetria Il potenziale di Higgs assume un profilo dove il minimo non è più simmetrico A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
30 Il Meccanismo di Higgs Secondo passo: rottura spontanea della simmetria Il potenziale di Higgs assume un profilo dove il minimo non è più simmetrico A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
31 Il Meccanismo di Higgs Secondo passo: rottura spontanea della simmetria Esistono ora infiniti stati di vuoto (minimo) collegati tra loro da una rotazione A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
32 Il Meccanismo di Higgs Secondo passo: rottura spontanea della simmetria Scelto il vuoto, esistono due tipi di eccitazioni: eccitazioni massive di risalita lungo le pendici del profilo (bosone di Higgs); eccitazioni prive di massa di fondovalle (bosoni di Goldstone). A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
33 Il Meccanismo di Higgs Terzo passo: generazione della massa La massa dei mediatori delle forze si genera attraverso l assorbimento dei bosoni di Goldstone. Chi sopravvive, testimone del meccanismo? Il bosone di Higgs A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
34 Il Meccanismo di Higgs Terzo passo: generazione della massa La massa dei mediatori delle forze si genera attraverso l assorbimento dei bosoni di Goldstone. Chi sopravvive, testimone del meccanismo? Il bosone di Higgs A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
35 Simmetrie ed Interazioni Nel 1967, Weinberg e Salam applicano il Meccanismo di Higgs al modello elettrodebole di Glashow. A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
36 Simmetrie ed Interazioni L unificazione delle forze e la rottura delle simmetrie di gauge. A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
37 Conclusioni Riassumendo: il bosone di Higgs è sopravvissuto al Meccanismo di generazione delle masse; il bosone di Higgs è il testimone unico della rottura della simmetria elettrodebole; il bosone di Higgs è l ultimo tassello che tiene in piedi la struttura del Modello Standard; trovare il bosone di Higgs significa dare un significato profondo alle premesse del Modello: simmetria ed unificazione. A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
38 Conclusioni Riassumendo: il bosone di Higgs è sopravvissuto al Meccanismo di generazione delle masse; il bosone di Higgs è il testimone unico della rottura della simmetria elettrodebole; il bosone di Higgs è l ultimo tassello che tiene in piedi la struttura del Modello Standard; trovare il bosone di Higgs significa dare un significato profondo alle premesse del Modello: simmetria ed unificazione. A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
39 Conclusioni Riassumendo: il bosone di Higgs è sopravvissuto al Meccanismo di generazione delle masse; il bosone di Higgs è il testimone unico della rottura della simmetria elettrodebole; il bosone di Higgs è l ultimo tassello che tiene in piedi la struttura del Modello Standard; trovare il bosone di Higgs significa dare un significato profondo alle premesse del Modello: simmetria ed unificazione. A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
40 Conclusioni Riassumendo: il bosone di Higgs è sopravvissuto al Meccanismo di generazione delle masse; il bosone di Higgs è il testimone unico della rottura della simmetria elettrodebole; il bosone di Higgs è l ultimo tassello che tiene in piedi la struttura del Modello Standard; trovare il bosone di Higgs significa dare un significato profondo alle premesse del Modello: simmetria ed unificazione. A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
41 Conclusioni Riassumendo: il bosone di Higgs è sopravvissuto al Meccanismo di generazione delle masse; il bosone di Higgs è il testimone unico della rottura della simmetria elettrodebole; il bosone di Higgs è l ultimo tassello che tiene in piedi la struttura del Modello Standard; trovare il bosone di Higgs significa dare un significato profondo alle premesse del Modello: simmetria ed unificazione. A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
42 Presente e Futuro Articoli pubblicati: 0 CMS Collaboration. Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMS experiment at the LHC. First observations of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson at the LHC Local p ATLAS Collaboration. Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC. ATLAS s= T TeV ev O Observed Ob d Expected E t d Signal Si l mh [GeV [ V] A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
43 Presente e Futuro First observations of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson at the LHC Ancora molto da fare: cercare segnali di nuova fisica oltre il Modello Standard. Local p capire se si tratta realmente del bosone di Higgs; 0 capire le proprieta di questa nuova particella; ATLAS s= T TeV ev O Observed Ob d Expected E t d Signal Si l mh [GeV [ V] A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
44 Presente e Futuro A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
45 Jokes A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
46 Bibliografia I Y. Nambu. Spontaneous symmetry breaking in particle physics: a case of cross fertilization. Nobel Lecture, S. Weinberg. Conceptual Foundations of the Unified Theory of Weak and Electromagnetic Interactions. Nobel Lecture, F. Englert and R. Brout. Broken Symmetry and the Mass of Gauge Vector Mesons. Phys. Rev. Lett. 13 (1964) 321. P. W. Higgs. Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons. Phys. Rev. Lett. 13 (1964) 508. G. S. Guralnik, C. R. Hagen and T. W. B. Kibble. Global Conservation Laws and Massless Particles. Phys. Rev. Lett. 13 (1964) 585. ATLAS Collaboration. Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC. Physics Letters B 716 (2012) A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
47 Bibliografia II CMS Collaboration. Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMS experiment at the LHC. Physics Letters B 716 (2012) INFN. Il bosone di Higgs. Asimmetrie 8 (Giugno 2009). INFN. Simmetrie. Asimmetrie 11 (Aprile 2011). A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
48 Le immagini Pag. 7/37: immagine dal sito (Cortesia Maximilien Brice e Claudia Marcelloni/CERN). Pag. 11/37: immagini dal sito Pag. 15/37: Copyright The Nobel Foundation 1979 ( Pag. 16/37: Copyright The Nobel Foundation 2008 ( Pag. 20/37: Babbage Difference Engine, dal sito Pag. 21/37: immagine di sinistra dal sito Pag. 21/37: immagine di destra credit AIP Emilio Segre Visual Archives, Physics Today Collection. Pag. 22/37: Photograph Peter Tuffy, The University of Edinburgh. Pag. 25/37: immagine tratta dal sito: Pag. 27/37: Copyright The Nobel Foundation 1979 ( Pag. 28/37: immagine dal sito Pag. 31/37: Credit CERN. Pag. 32/37: Le firme dei protagonisti sono tratte dall articolo: First observations of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson at the LHC. Physics Letters B, 716 (2012). L immagine è tratta dal sito (Premiazione Premio Sakurai). A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
49 Contatti Sito internet: Indirizzo A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) Il bosone di Higgs Belluno 26/01/ / 33
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