QUARKS: dalla MATERIA al BIG BANG. Nora brambilla U.Milano. Quarks: i mattoni della Materia. La Forza Forte che tiene insieme la materia

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1 Nora brambilla U.Milano QUARKS: dalla MATERIA al BIG BANG Quarks: i mattoni della Materia La Forza Forte che tiene insieme la materia Alle radici della materia: gli acceleratori Il Confinamento dei Quarks Liberare i Quarks: viaggio alle origini della Materia

2 La Fisica delle Particelle vuole rispondere a domande del tipo: Quali sono i costituenti elementari della materia? Quali sono le forze che controllano il loro comportamento al livello piu fondamentale?

3 History of Constituents of Matter I Quarks sono i constituenti del protone e del neutrone e di tutti gli adroni

4 I Costituenti elementari della materia l elettrone il protone e il neutrone fanno tutti gli atomi di tutti gli elementi noti nell universo

5 proprieta dei quarks: -spin -sapore -carica elettrica frazionaria -colore

6 I Costituenti elementari della materia I quarks si legano a formare la materia Barioni: 3 quarks protone: u u d neutrone: u d d Mesoni: quark e antiquark pione: u dbar

7 I Costituenti elementari della materia Domanda: Che forza lega i quarks nel protone? Una domanda molto difficile e molto importante! Capire la massa del protone permette di capire cosa origina tutta la massa osservata nell universo!

8 Le scale dei costituenti elementari si applica la meccanica quantistica Principio di indeterminazione: r 1 E Per risolvere oggetti piccoli ci vuole una grande energia -->Grandi Acceleratori di Particelle

9 Le scale dei costituenti elementari A grandi energie si applica la relativita speciale legge di Einstein: E = mc 2 l energia puo essere convertita in particelle e viceversa agli acceleratori aumentando l energia si possono creare coppie particella-antiparticella

10 Cosa e un acceleratore? 1eV = Joule 10^17 joule~energia dal sole che colpisce la terra in un secondo; energia rilasciata dalla piu grande arma nucleare, 10^20 joule ~ energia consumata dagli USA in un anno

11 Perche acceleriamo le particelle? per vedere all interno La sezione d urto σ da la probabilita di interazione tra il proiettile e il bersaglio σ da informazioni sul bersaglio e sulle forze di interazione Puo essere misurata e calcolata in teoria Sondiamo la materia per capire le forze

12 Una forza ben nota: forza elettromagnetica forze elettromagnetiche : interazione tra elettroni (e-,e+) con fotoni Optics, telecommunications

13 Lo scambio di un fotone γ da l interazione tra elettroni (e-,e+) termini di diagrammi di Feynman costante di accoppiamento dell interazione α = e2 4π e- e+ γ e e r 1/Q

14 La forza elettromagnetica e l accoppiamento V (r) = α r Constante di accoppiamento: α(r) F (r) = α r 2 a piccole distanze corre effetto di schermo di una carica Q in un mezzo dielettrico e + γ γ e + e - γ effetto di schermo di cariche nel vuoto per la creazione di coppie di particelle e -

15 Qual e l interazione tra i quarks? La studiamo agli acceleratori ad alta energia :

16 Tevatron Fermilab, p pbar E= 1 Tev RHIC, BNL collisioni di ioni pesanti; Hera, Desy; GSI, Darmstadt

17 Vedere, classificare e contare i quarks ad alte energie! 10 3 Cross section J/$ $(2S) Z R 10 2 " # Hadrons 10! 1! R = 10-1 E [GeV] σ(e+ e had) σ(e + e µ + µ ) = N c e 2 f = = 3(( 2 3 )2 u + ( 1 3 )2 d + ( 1 3 )2 s + ( 2 3 )2 c + ( 1 3 )2 b + ( 2 3 )2 t ) f 2 10/3 11/3

18 Vedere, classificare e contare i quarks ad alte energie! I Quark esistono in sei sapori : u, d, c, s, t, b con masse diverse in tre colori: rosso, verde, blu I quark interagiscono scambiando gluoni colorati Ad alte energie la forza con cui interagiscono e piccola: liberta asintotica

19 A basse energie non vediamo i quarks adronizzazione: non ci sono quarks liberi! gli stati finali nei rivelatori sono sempre Adroni π, K, ρ, ω, Ξ... Nessun QUARK! Confinamento dei quarks nei mesoni e nei barioni!

20 QCD: la teoria delle interazioni forti La QuantoCromodinamica (teoria dei colori quantistica) spiega come i quark interagiscono scambiandosi gluoni per formare tutta la materia osservata

21 QCD: la teoria delle interazioni forti QCD e una teoria di campo quantistica relativistica) basata sulla simmetria di gauge di colore Simmetria: il principio organizzatore essenziale in fisica Quando un sistema fisico ha una simmetria puo essere descritto sulla base di meno osservazioni rispetto ad un sistema che non ha simmetria.

22 Simmetria= Capacita predittiva

23 Simmetria= Capacita predittiva Nella pittura reale, la simmetria e rotta Piero della Francesca: Polittico della Misericordia

24 In fisica: Simmetria globale <--> leggi di conservazione e numeri quantici Simmetria locale <--> forze, la simmetria determina la dinamica (geometrizzazione delle forze!) I Quarks esistono in tre colori ma non osserviamo il colore. Se imponiamo che il colore sia una simmetria esatta locale: -la forma dell interazione tra quarks e fissata -i quark interagiscono scambiando 8 gluoni colorati -solo barioni e mesoni possono esistere come stati fisici

25 α s = g2 4π QCD la costante di accoppiamento con cui i quarks interagiscono " s confinamento " s = - # 0 1 log Q 2 2 /! liberta asintotica! 1 GeV 100 GeV

26 α s grande: metodi non perturbativi:qcd su reticolo QCD viene formulata su un reticolo spazio-temporale discreto-space -> simulazioni su computer dell interazione di quarks e gluoni su reticolo quark gluon

27 si usano supercomputer ad alte prestazioni Centro Computazionale Leibniz a Monaco prestazioni di picco di piu di 62 Tflops/s IBM Blue Gene picco 360 Tflops: ricerca biologia, protein folding

28 Confinamento:experimenti su computer 2 V (r) 1.5 1!=6.0!=6.2 fit GeV r/fm V (r) = 4 3 α s r + cr F (r) = 4 3 r 2 + Confinamento c α s

29 Confinamento: esperimenti al computer formazione di tubi di flusso elettrico

30 E possibile rendere liberi i quarks? Si! ad alte temperature e grandi densita : si puo formare un gas di quarks e gluoni UN NUOVO STATO DELLA MATERIA!

31 UN NUOVO STATO DELLA MATERIA! materia nucleare normale materia nucleare estremamente compressa T ~170 Mev densita di energia ~1Gev/ fm^3 i quark e i gluoni diventano liberi di muoversi

32 Verso le origini dell UNIVERSO Ricreare in laboratorio condizioni di temperatura e densita simili a quelle esistenti pochi microsec dopo il Big Bang

33 il 1 esperimento di fisica delle particelle:il big bang 10 microsecondi: i quark formano i protoni anni: i nuclei catturano ee formano gli atomi anni: oggi

34 Teoria: diagramma di fase di qcd

35 econfinamento dei quark a temperatura finita Simulazioni di QCD su reticolo 2.5 F(R,T)/! 1/2 V (r, T ) !0.5!1 R! 1/ V (r, T ) = c µ (1 e µr ) 4 3 α s r e µr effetto di schermo del mezzo e Deconfinamento F (r, T ) = ce µr 4 3 α s( 1 r 2 + µ r )e µr

36 Esperimenti: collisioni di ioni pesanti Due nuclei si avvicinano a grandi velocita e collidono

37 Due nuclei si avvicinano a grandi velocita e collidono creano una zona a grandissima densita di materia nucleare collisioni di ioni pesanti

38 Due nuclei si avvicinano a grandi velocita e collidono creano una zona a grandissima densita di materia nucleare collisioni di ioni pesanti in questa zona si puo formare un plasma di quark e gluoni

39 collisioni di ioni pesanti Due nuclei si avvicinano a grandi velocita e collidono creano una zona a grandissima densita di materia nucleare in questa zona si puo formare un plasma di quark e gluoni durante l espansione gli adroni si formano e arrivano nei rivelatori: misure di numero di particelle, spettri di energia, di momento Un problema formidabile! migliaia di particelle da misurare e collegare alla formazione di QGP

40 collisioni di ioni pesanti Un problema formidabile! migliaia di particelle da misurare e collegare alla formazione di QGP Risultati recenti da RHIC (BNL) indicano che il gas di quark e gluoni e in realta un liquido!

41 Macchine del big bang presenti e future

42 In Conclusione: I nuclei sono composti da quarks tenuti insieme dalle interazioni forti (diverse dalle e.m. per gli atomi, etc) QCD e la teoria delle interazioni forti 3 quarks colorati interagiscono attraverso8 gluoni colorati La forma dell interazione e fissata dalla simmetria Le interazioni forti hanno un comportamento peculiare: liberta asintotica e confinamento QCD ci fornisce gli strumenti teorici per calcolare le osservabili, sezioni d urto... Gli esperimenti agli acceleratori forniscono nuovi dati e indicano che lostato primordiale della materia e un liquido di quark e gluoni

43 in Prospettiva: QCD e la teoria delle interazioni forti: grandi contributi alla comprensione delle forze fondamentali sono venuti da QCD (premio Nobel 2004) Abbiamo di fronte a noi molte nuove ed affascinanti sfide: Confinamento: un problema da 1 million $ La ricerca di un nuovo stato della materia a RHIC e a LHC Ricreare in laboratorio le condizioni esistenti a 10-6 secondi dal Big-Bang e le transizioni di fase cosmiche Un futuro di ricerca molto stimolante per i giovani

44 Importance of Science

45 Crediti e bibliografia: CERN Outreach resources Cern Summer Lectures, by Luciano Maiani BNL Resources Stefan Scherer, U. Frankfurt, dynamics of coloured quarks Wikipedia the free Encyclopedia