Tecniche ed idee per la rivelazione di particelle, a terra e nello spazio

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1 Tecniche ed idee per la rivelazione di particelle, a terra e nello spazio Quali sono le particelle che possiamo misurare? Cosa ci raccontano i neutrini? Come si misura la particella di Higgs? Come si misurano le onde gravitazionali? 1

2 La fisica delle particelle N. Cartiglia, INFN, Torino, Scuola di Fisica, 23 Marzo 2016 Che cosa sono le particelle che rileviamo? La natura intorno a noi è fatta da poche particelle: l elettrone, il protone, il neutrone Il sole produce altre particelle, i raggi cosmici, che contengono un altro gruppo di particelle: neutrini, muoni, pioni, kaoni Ogni tanto sulla terra per reazioni spontanee (radioattività) si producono alcune altre particelle: Anti-elettrone (positrone), anti-neutrini Quindi abbiamo finito? 2

3 Le particelle si creano in laboratorio protone Attraverso urti tra particelle si possono creare altre particelle: l energia delle particelle viene trasformata in materia! quark Si crea sempre materia ed antimateria in quantità uguali protone Einstein: E=mc 2 la massa si può trasformare in energia e viceversa. 3

4 Lo zoo delle particelle Negli urti si creano centinaia di particelle: per molti anni c era molta confusione, poi si è capito un fatto importante: Alcune particelle sono elementari, altre che sono composte Possiamo definire una particella come elementare se assumiamo che non abbia sottostruttura. Questo vuol dire che non si possono rompere in pezzi più piccoli. Quante/quali sono? Leptoni: l elettrone ed i suoi fratelli (6) I quark (che formano altre particelle) (6) I portatori di forze (4) La particella di Higgs (1+?) Conosciamo 17 particelle elementari 4

5 Lo zoo delle particelle Molte altre particelle sono composte di quark: Barioni (qqq): p,n Mesoni (q-anti q): p,k,ω,ρ,ψ Ci sono centinaia di particelle composte 5

6 Un libro pieno di particelle N. Cartiglia, INFN, Torino, Scuola di Fisica, 23 Marzo 2016 Come si fa a ricordare il nome di tutte le particelle? Non lo si fà!! Ma si può comprare un libro con tutti i nomi 6

7 Un libro pieno di particelle N. Cartiglia, INFN, Torino, Scuola di Fisica, 23 Marzo pagine, si legge come un romanzo 7

8 I decadimenti N. Cartiglia, INFN, Torino, Scuola di Fisica, 23 Marzo 2016 Le particelle più pesanti (sia elementari che composte) decadono in particelle più leggere µ Noi possiamo rivelare solo particelle che sono stabili oppure che vivono sufficientemente a lungo W ν µ e ν e 8

9 Ma cosa vuol dire decadono?! Molte delle proprietà della particella madre vengono trasmesse alle particelle figlie:!! Conservazione della energia totale, carica.! Alcune proprietà non sono conservate:!! Non conservazione della massa, etc.. Conservazione del valore, non conservazione del peso 9

10 Come vengono viste le particelle che decano? Consideriamo il bosone di Higgs, particella cercata per circa 30 anni e finalmente trovata Il bosone di Higgs non vive abbastanza a lungo per essere misurato, ma decade subito in altre particelle. Dobbiamo misurare la massa di coppie bb, oppure WW, ZZ,, gg, e vedere se è la stessa. 10

11 E o non è un Higgs! γγ? Evento misura a CMS a Giugno 2011 N. Cartiglia, INFN, Torino, 11

12 E o non è un Higgs! 4 muoni? Evento misura N. Cartiglia, a CMS INFN, ad Agosto Torino,

13 Quindi cosa misuriamo? Le particelle vengono prodotte:! In laboratorio, dai grandi acceleratori! Nello spazio, dalle stelle ed altre sorgenti Vediamo adesso degli esempi di rivelatori di particelle 13

14 Cosa sono i neutrini? I neutrini sono particelle stabili, neutre, create nel decadimento di elementi radioattivi. Si chiamano neutrini perché sono neutre e con la massa molto piccola (nome inventato da Enrico Fermi) La maggioranza dei neutrini si sono formati appena dopo il big-bang, ci sono ~ 300 neutrini per ogni cm^3 dell universo! I neutrini sono creati nella stelle, in particolare nelle esplosioni di supernovae I neutrini interagiscono molto raramente, ci vogliono dei rivelatori molto grandi. 14

15 Cosa ci raccontano i neutrini? È molto importante misurare accuratamente i neutrini, quanti sono e da dove vengono, perché sono dei messaggeri che non cambiano mai direzione. Studiare i neutrini è un modo alternativo all astronomia in luce visibile di capire l universo e le stelle 15

16 Come si misurano i neutrini? Consideriamo un tipo di reazione: neutrino+neutrone! elettrone+protone L elettrone muovendosi in un mezzo trasparente emette luce Cherenkov Devo misurare questa luce Dove trovo un enorme rivelatore trasparente? 16

17 Idea # 1: nel mare! Costruisco una palla che misura luce neutrino detector chiamato KM3NeT Non ci si riesce ancora.., i pesci fanno luce e danno molto fastidio 17

18 Idea # 2: in una grande vasca Costruisco un enorme vasca piena d acqua, con rivelatori di luce tutto intorno neutrino detector chiamato SuperKamioconde, in Giappone Successo straordinario, per molti anni il miglior rivelatore di neutrini 18

19 Idea # 3: nel ghiaccio del polo sud Usando il ghiaccio del polo sud neutrino detector chiamato IceCube, in Antartide 19

20 Idea # 3: nel ghiaccio del polo sud Problemi: - La cenere di eventi vulcanici - Le bollicine d aria nel ghiaccio 20

21 Cosa ci raccontano i neutrini? I neutrini hanno una particolarità molto interessante: oscillano tra di loro Oscillazione di neutrini come se un gatto mentre corre cambiasse colore: Oscillazione di gatti L oscillazione avviene a seconda della differenza di massa, quindi misurare l oscillazione vuol dire avere informazioni sulla loro massa 21

22 Come si misurano le oscillazioni di neutrini? N. Cartiglia, INFN, Torino, Scuola di Fisica, 23 Marzo 2016 Bisogna misurare i neutrini due volte, dopo una certa distanza, e vedere se il tipo di neutrino cambia In Cina si sono costruiti dei rivelatori di neutrini vicino ad un enorme reattore nucleare, e si misura la differenza tra i neutrini misurati vicino e lontano Prima misura Seconda misura Prima misura 22

23 Caccia al bosone di Higgs N. Cartiglia, INFN, Torino, Scuola di Fisica, 23 Marzo 2016 La particella di Higgs è stato il sacro Gral della fisica, su cui si sono riversati fiumi di articoli, soldi, notti insonni, matrimoni falliti, adrenalina, speranze e delusioni. Per dimostrare la sua esistenza bisogna crearlo in un acceleratore, e poi misurarlo con un rivelatore adatto 23

24 Come si fa un bosone di Higgs? La teoria ci dice quali sono i meccanismi di produzione: Si parte da due protoni due costituenti si fondono, e si forma l Higgs N. Cartiglia, INFN, Torino, Scuola di Fisica, 23 Marzo

25 Per i curiosi N. Cartiglia, INFN, Torino, Scuola di Fisica, 23 Marzo

26 Con che probabilità si crea un bosone di Higgs? Urto protone-protone N. Cartiglia, INFN, Torino, Scuola di Fisica, 23 Marzo 2016 Si riesce a fare un bosone di Higgs una volta ogni urti Urto protone-protone che fa un Higgs 26

27 ! Ricordiamoci alcune cose: 1. Probabilità di farlo: 1/1000 di miliardo in urto protone-protone! dobbiamo far scontrare tantissimi protoni.. 2. Valore della massa: ignoto, ma sappiamo che E = mc 2! dobbiamo mettere tanta energia in un punto 3. Decade in varie particelle tipo fotoni, elettroni, muoni! dobbiamo costruire un rivelatore di particelle che misuri tutto! Quindi:! Dobbiamo costruire una macchina che acceleri moltissimi protoni, ad un energia molto alta, e dobbiamo costruire un rivelatore che possa misurare tutto quello che viene creato nell urto. N. Cartiglia, INFN, Torino, Scuola di Fisica, 23 Marzo 2016 Come facciamo a fare un bosone di Higgs? 27

28 Gli acceleratori di particelle le particelle vengono accelerate ad energie molto elevate le si fa urtare tra loro o contro bersagli esterni l energia liberata produce nuove particelle (E=mc 2 ) Gli acceleratori sono di 2 tipi: Circolari: le particelle girano più volte in un anello, prima di collidere Lineari: le particelle percorrono una sola volta l acceleratore da un estremità all altra e collidono su un bersaglio esterno 28

29 I rivelatori di particelle le particelle prodotte nelle collisioni lasciano tracce che vengono fotografate permettendo la ricostruzione di ciò che è successo negli urti i rivelatori permettono di identificare le particelle prodotte, definendone la massa, la carica, la velocità 29

30 I componenti degli acceleratori Campi elettrici per accelerare le particelle - + Campi magnetici per curvare le particelle e mantenerle su orbite definite N S 30

31 I centri di ricerca: il CERN Gli esperimenti di fisica delle alte energie si fanno in centri di ricerca. Uno dei principali e il CERN di Ginevra Centro Europeo di Ricerca Nucleare È il più grande laboratorio al mondo per la ricerca nel campo della fisica delle particelle. fornisce i mezzi agli scienziati per le loro ricerche: Al CERN si fa ricerca di base ( pura ), con lo scopo di imparare di più riguardo al nostro Universo. Le eventuali applicazioni possibili e i benefici per la società arrivano durante la costruzione, con lo sviluppo di nuove tecnologie. 31

32 Come si accelerano le particelle? 1) I protoni sono ottenuti strappando elettroni a atomi di idrogeno. 2) I protoni sono iniettati nel PS booster a 50 MeV dal Linac2 e accelerati a 1.4 GeV 3) passano al PS e sono accelerati fino a 25 GeV 32

33 Come si accelerano le particelle? 4) passano all SPS dove raggiungono 450 GeV 5) passano all LHC dove possono essere accelerati fino a 7 TeV (filling time ~ 4 minuti, fase di accelerazione ~ 20 minuti) 33

34 FOTONI ELETTRONI MUONI PIONI, PROTONI NEUTRONI Strategia di rivelazione Camere di tracciamento Rivelatori traccianti: Per ricostruire tracce lasciate da particelle cariche Calorimetro elettromagn. Calorimetro adronico Rivelatore per muoni Calorimetri: Misurano l energia rilasciata da particelle Cal. elettromagnetici " per sciami da fotoni, elettroni Cal. adronici " rivelano sciami adronici Rivelatori per muoni: Rivelano i muoni, particelle molto penetranti 34

35 LHC: la macchina dei record È il più potente microscopio mai fatto, permette di vedere le cose più piccole mai viste Il tubo nel quale corrono le particelle è più vuoto dello spazio nel sistema solare, è simile allo spazio interstellare Uno dei posti più freddi dell universo: i suoi magneti sono a -271 gradi 35

36 LHC: la macchina dei record Produce 1000 Gigabyte di dati ogni secondo È il posto più caldo dell universo: la temperatura degli scontri è 1 miliardo di volte il Sole Ci sono circa 1 miliardo di scontri protone-protone ogni secondo.. 36

37 CERN-LHC 37

38 Abbiamo trovato il bosone di Higgs? il 4 luglio

39 Coppie di fotoni N. Cartiglia, INFN, Torino, Scuola di Fisica, 23 Marzo 2016 Se le coppie di fotoni: sono casuali, allora la loro massa non ha un valore fisso. vengono dal decadimento dell Higgs, allora hanno tutte la stessa massa: M γγ = M Higgs 39

40 Cosa può capitare? Che si vede un picco in più In questo grafico si vede il background ed il segnale della nuova particella: N. Cartiglia, INFN, Torino, Scuola di Fisica, 23 Marzo 2016 Stoccolma!!!!, premio Nobel

41 Ci sono altre particelle? N. Cartiglia, INFN, Torino, Scuola di Fisica, 23 Marzo 2016 Il modello standard delle particelle prevede il bosone di Higgs, e parallelamente la scoperta della supersimmetria (o di qualche cosa di simile) La Supersimmetria dice che ogni particella esiste in due stati: fermionica che bosonica. Misurate Abbiamo trovato altre particelle? Ipotizzate 41

42 Punti neri: eventi misurati Numero di eventi misurati Forse si. Massa di due fotoni Linea rossa: quello che sappiamo già Perché ci sono più eventi qui? Magari una nuova particella???? Magari andiamo a Stoccolma di nuovo 42

43 Digressione: cos è la gravità? Come fanno i pianeti e le stelle ad attrarsi? Per facilità, ci viene detto che la gravità è una forza, ma in realtà non è vero: gli oggetti distorcono lo spazio, e quelli più piccoli girano attorno al cono seguendo linee geodesiche, Lo spazio è pieno di buche, formate da buchi neri e stelle massive 43

44 Come si formano le onde gravitazionali? Le onde gravitazionali sono una serie di contrazioni ed allungamenti dello spazio in successione, che si creano quando due oggetti molto massivi girano in tondo 44

45 Come si misurano le onde gravitazionali? Se lo spazio diventa più corto e poi più lungo, è difficile misurarlo: se misuriamo la lunghezza di un oggetto, sia l oggetto che il metro di contraggono. Il problema è che il metro si accorcia nello stesso modo della carota: misura sempre la stessa lunghezza.. 45

46 Si deve usare la luce! N. Cartiglia, INFN, Torino, Scuola di Fisica, 23 Marzo 2016 Se lo spazio diventa più corto, la luce ci mette meno tempo a percorrerlo: la luce viaggia sempre alla stessa velocità Paragoniamo quindi il tempo su due percorsi perpendicolari Questo braccio diventa più corto Onda 46

47 Come si rivelano le onde 47

48 Virgo, in Toscana 48

49 Conclusioni I problemi irrisolti in fisica delle particelle portano alla costruzione di rivelatori di particelle fatti che usano molti tipi diversi di tecnologie La costruzioni di questi rivelatori è un arte che si tramanda nell istituto nazionale di fisica nucleare (INFN), e si basa sull apporto continuo di nuove persone che propongono nuove idee. Studiate fisica, e venite a costruire i rivelatori del futuro 49

50 Extra 50

51 Storia degli acceleratori (1) Dagli anni 30 in avanti, sono state sviluppate diverse tecniche per accelerare particelle, arrivando ad energie sempre piu elevate. I primi acceleratori sfruttano campi statici, con differenze di potenziale pari a quelle tra la terra e una nuvola prima di un fulmine (10-20 MV) Per aumentare l energia raggiungibile, si costruirono i primi acceleratori lineari " invece di un unica differenza di potenziale si accelerano le particelle attraverso diversi stadi " per raggiungere energie elevate bisogna, pero, costruire macchine lunghissime 51

52 Storia degli acceleratori (2) Il primo acceleratore circolare (ciclotrone) venne costruito da Lawrence (~10cm di diametro, accelerava protoni a ev). La dimensione dell acceleratore determina la massima energia raggiungibile. Il piu grande ciclotrone del mondo (costruito negli anni 70 a TRIUMF, Canada) ha un diametro di 18m e accelera p fino a 520 MeV Il passo successivo è il sincrotrone, dove i campi elettrici e magnetici sono variabili, in modo da far seguire alle particelle traiettorie circolari. Di nuovo sono il raggio della macchina e i campi magnetici a determinare l energia raggiungibile 52

53 Storia degli acceleratori (3) Higgs: Predizione Scoperta Diverse tecniche sono state sviluppate per accelerare particelle, raggiungendo energie sempre piu elevate In meno di 100 anni l energia raggiungibile e aumentata di un fattore ~

54 I componenti degli acceleratori I principali componenti di un acceleratore sono: Cavità a radiofrequenza: servono ad accelerare le particelle. Sono poste a intervalli regolari lungo l acceleratore. Ogni volta che una particella attraversa il campo elettrico in una cavita, parte dell energia dalle onde radio e trasferita alle particelle Il tubo a vuoto: e un tubo all interno del quale si muovono le particelle del fascio. Il vuoto e necessario per minimizzare le interazioni tra il fascio ed eventuali molecole di gas. Magneti: si utilizzano diversi tipi di magneti, con funzioni differenti. Magneti dipolari sono utilizzati per far muovere le particelle lungo una traiettoria circolare. Magneti quadripolari sono utilizzati per focalizzare il fascio (come una lente focalizzante). 54

55 Utilizzo degli acceleratori Principali settori applicativi dei acceleratori nel mondo ~ 60% " industria ~ 35% " medicina ~ 5% " ricerca di base 55