Acceleratori e Big Bang

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1 Acceleratori e Big Bang Un viaggio dalle particelle elementari alla cosmologia Francesco Ragusa Dipartimento di Fisica INFN - Milano Dipartimento di Scienze della Salute Milano 18 Dicembre 2013 Diapositive disponibili in

2 Acceleratori e Big Bang La forza come scambio di quanti Acceleratori di particelle: microscopi per l infinitamente piccolo Il CERN e l'acceleratore LHC e l esperimento ATLAS Il modello standard Il Bosone di Higgs La Nascita dell'universo e il Big Bang Energia, Temperatura e Universo Primordiale Temperatura e Radiazione Il Fondo Cosmico di Microonde e l'universo Primordiale Ai Confini dello Spazio e del Tempo Epilogo 2

3 La forza come scambio di Particle Data Group - Berkeley 3

4 L'interazione come scambio di fotone Rivediamo L'interazione fra due elettroni può essere vista come lo scambio di un fotone Il primo elettrone emette un fotone e quindi cambia direzione Il secondo elettrone assorbe il fotone e cambia direzione Notare che il numero di elettroni rimane sempre lo stesso: 2 2 Il numero di fotoni varia: elettroni (anche i protoni e i neutroni ) sono fermioni materia il loro numero si conserva fotoni sono bosoni forze 4

5 Le Forze Fondamentali Forza Intensità Quanto Presente in Esempio Nucleare Forte ~1 gluone nucleo atomico Energia Nucleare Elettromagnetica 10-3 fotone legami atomici Chimica Nucleare Debole 10-5 Z 0,W + W - nuclei,sole Velocità fusione nel sole radioattività naturale Gravitazionale gravitone? corpi pesanti Cosmologia 5

6 Lo studio dell infinitamente piccolo La visione di un oggetto implica: illuminazione dell'oggetto diffusione della luce rivelazione della luce diffusa eventuale elaborazione della luce diffusa Il limite alla dimensione dell'oggetto più piccolo visibile è dato dalla lunghezza d'onda della luce λ c è la velocità dell'onda Einstein E = h ν Per vedere oggetti piccoli: piccola lunghezza d'onda λ elevata energia E λ = ct = c ν = c E/h 6

7 Lo studio dell infinitamente piccolo "Vedere" la struttura del protone Si utilizza un fascio di elettroni L'elettrone viene utilizzato come sorgente di fotoni di elevatissima energia I fotoni "illuminano" il protone Data l'elevata energia si creano nuove particelle Einstein equivalenza massa - energia E = mc 2 Le particelle prodotte sono rivelate Così si studia la struttura del protone elettrone 7

8 E = mc 2 : Materia e Antimateria Nella Teoria della Relatività Einstein introdusse l'equivalenza fra massa e energia Il fotone può trasformarsi in altre particelle. Esempio γ + e e elettrone - positrone fotone Nel processo indicato scompare un fotone viene creato un elettrone viene creato un anti-elettrone (positrone) viene creata una coppia fermione anti-fermione Viene creata una coppia materiaantimateria camera a bolle 8

9 Creazione di Materia e Antimateria Lo stesso grafico che descrive la radiazione di un fotone può essere utilizzato per descrivere: la annichilazione di un elettrone e di un antielettrone la creazione di un elettrone e di un antielettrone Si possono creare, oltre gli elettroni e antielettroni, altre coppie di particelle antiparticelle ad esempio quark antiquark Il modo più efficiente per trasformare tutta l'energia in nuove particelle è quello di realizzare un urto frontale 9

10 Acceleratori di particelle Per accelerare una particella carica occorre un campo elettrico 0 KV 100 KV 200 KV 300 KV 400 KV 500 KV 600 KV L Poco pratico: Per raggiungere elevate energie occorrono tensioni elevatissime 1 milione di volt per un MeV LHC avrà energie di 7 TeV Ε= V 100KV Ε= L L 1 TeV = ev = 10 6 MeV Energia cinetica: K = qv 1 TeV = ev 10

11 Acceleratori di particelle Si fa in modo che il potenziale acceleratore viaggi con la particella 50 KV KV KV KV KV KV +50 KV Il potenziale che viaggia è un onda elettromagnetica Il campo elettrico deve essere longitudinale La velocità dell onda e della particella devono essere uguali Cavità risonanti: immagazzinano tanta energia ( ρ ~ E 2 ); limitato dall emissione di elettroni dalle pareti 11

12 Acceleratori lineari Per costruire un acceleratore si possono disporre tante cavità acceleratrici in serie p p L Acceleratore Lineare di SLAC: Stanford, California 12

13 Acceleratori circolari acceleratore lineare cavità acceleratrici Se si confinano le particelle in una orbita circolare, queste acquistano energia ad ogni passaggio dentro una cavità Un campo magnetico perpendicolare al disegno confina le particelle in una orbita circolare dipoli magnetici 13

14 I grandi acceleratori: il CERN Centro Europeo Ricerche Nucleari: Il CERN è il laboratorio più grande del mondo per le ricerche di Fisica delle Particelle Elementari Fondato nel 1954 L Italia uno dei 12 paesi fondatori Scopo del CERN: Il CERN fornisce ai paesi membri apparecchiature complesse e sofisticate per compiere ricerche di Fisica Fondamentale nel campo della Fisica delle Particelle Elementari 14

15 I grandi acceleratori: il CERN Oggi il CERN conta 20 paesi membri Paesi e organizzazioni con ruolo di osservatori: Unesco, EU, Israele, Turchia, USA, Russia, Giappone 15

16 Gli acceleratori del CERN Il CERN ha il più grande complesso di macchine acceleratrici del mondo Sono macchine costruite sotto terra ma sarebbero facilmente visibili da un satellite 16

17 LHC: Large Hadron Collider 17

18 Il tunnel dell acceleratore LEP L'acceleratore è posto in un tunnel a circa 100 m. di profondità È un acceleratore di protoni L'acceleratore è composto di: magneti per mantenere i protoni in un'orbita circolare cavità RF per accelerare i protoni 18

19 Adesso ospita l Acceleratore l LHC 19

20 I dipoli magnetici di LHC magneti superconduttori il direttore del progetto è un professore della nostra università 20

21 I dipoli magnetici di LHC 21

22 Le bobine superconduttrici dei dipoli 22

23 Le cavità acceleratrici 23

24 La sala di controllo degli acceleratori 24

25 L acceleratore LHC L acceleratore LHC è il più grande e potente mai costruito Circonferenza di 27 Km I fasci contengono protoni Ogni protone un energia di 7 TeV Frecciarossa a 150 Km/h L energia cinetica di una portaerei a 6 nodi 25

26 ATLAS e LHC: una collisione 26

27 Il rivelatore ATLAS Contributi Milano Magnete Toroidale Calorimetro Elettromagnetico Rivelatore di Vertice Lunghezza 46 m Raggio 12 m Peso 7000 t Canali Lettura Km di cavi 27

28 La costruzione dell esperimento esperimento ATLAS 28

29 29

30 Le bobine del toroide Fasi della costruzione presso l Ansaldo 30

31 Le Bobine del Toroide 31

32 Il Rivelatore di Vertice di ATLAS 32

33 Il Rivelatore di Vertice di ATLAS 33

34 Il rivelatore di fotoni 34

35 Il rivelatore di muoni 35

36 Il rivelatore ATLAS 36

37 L analisi dei dati: the grid Sotto alcuni punti di vista è una evoluzione del concetto di Web Web: accesso uniforme a documenti html Grid: accesso flessibile e con alte prestazioni a risorse di calcolo: CPU storage LHC produce una enorme quantità di dati Annualmente prodotti circa 12 PB di dati: 1 PB = GB palloni nella stratosfera Torre di CD con 1 anno di dati LHC (~ 20 Km) jet (10 Km) Monte Bianco (4.8 Km) 50 CD-ROM = 35 GB 6 cm 37

38 L analisi dei dati: the grid L analisi di una gigantesca mole di dati (ad oggi 120 PB) ha richiesto lo sviluppo di un infrastruttura di calcolo molto sofisticata: la GRID Centinaia di centri (migliaia di computer) connessi in una struttura gerarchica 38

39 L analisi dei dati: the grid Tier-0 (CERN): (15%) Data recording Initial data reconstruction Data distribution Tier-1 (11 centres): (40%) Permanent storage Re-processing Analysis Connected by direct 10 Gb fibres Tier-2 (>200 centres): (45%) Simulation End-user analysis 39 39

40 L analisi dei dati: the grid Occupazione giornaliera della GRID 100 k 40

41 Il Modello Standard: la materia Il protone e il neutrone sono fatti di quark Il protone è composto da ( u u d ) Gli atomi sono fatti di neutroni, protoni e elettroni Nei decadimenti radioattivi β vengono emessi neutrini u Q B d 2 1 u u u = d 3 3 n peν e u d e ν e costituiscono la prima famiglia Esistono tre famiglie Hanno le stesse proprietà della prima, a parte la massa (sono più pesanti) non si sa perchè esistono tre famiglie 41

42 Il Modello Standard: le forze Conosciamo quattro forze Il Modello Standard ne descrive solo tre le forze sono realizzate attraverso lo scambio di quanti n p n peν e W e ν e Le leggi delle forze sono ricavate da un principio di simmetria 42

43 Il Modello Standard: le forze Una delle scoperte più importanti è stato capire il legame fra la forza e un principio di simmetria o invarianza Un invarianza che tutti conoscono È importante solo la differenza di potenziale È un invarianza semplice Il potenziale può essere spostato arbitrariamente TUTTI i potenziali devono essere spostati Se consideriamo anche il magnetismo e rapide variazioni nel tempo si possono anche spostare i potenziali in modo diverso Spostarli in modo diverso da punto a punto Questa invarianza permette di derivare le leggi della forza elettromagnetica INVARIANZA DI GAUGE Vale per tutte le forze 43

44 Il Modello Standard: il Bosone di Higgs Purtroppo ci sarebbe un grosso problema Per funzionare il modello richiede che tutte le particelle siano senza massa Si risolve il problema con l introduzione del bosone di Higgs Particelle acquistano massa attraverso l interazione con il campo di Higgs Più forte l interazione maggiore la massa Higgs H 0 Un esempio dovuto al fisico inglese David Miller per il ministro della scienza William Waldegrave 44

45 La scoperta del Bosone di Higgs Con l acceleratore LHC si fanno collidere protoni collidono i gluoni che sono dentro i protoni g g t H La particella prodotta decade in due fotoni γ o in due bosoni Z 0 H t γ γ H Z 0 Z 0 e e + μ μ + 45

46 Premio Nobel per la fisica October 2013 The Royal Swedish Academy of Sciences has decided to award the Nobel Prize in Physics for 2013 to François Englert Université Libre de Bruxelles, Brussels, Belgium and Peter W. Higgs University of Edinburgh, UK for the theoretical discovery of a mechanism that contributes to our understanding of the origin of mass of subatomic particles, and which recently was confirmed through the discovery of the predicted fundamental particle, by the ATLAS and CMS experiments at CERN s Large Hadron Collider 46

47 L'Unificazione delle Forze Elettricità Magnetismo Maxwell Elettromagnetismo Glashow, Weinberg, Salam Luce Decadimento β Neutrini Fermi Interazioni Deboli Interazioni Elettrodeboli Cromodinamica quantistica t Hooft, Veltman Higgs Modello Standard Protoni Neutroni Nuclei Pioni Gravità Terrestre terrestre Gravità Celeste Yukawa Interazioni Forti Newton Gravitazione Wilczek, Gross, Politzer Gauss, Ricci Curbastro Geometria Spazio-Tempo? Relatività Generale Einstein 47

48 La Nascita dell Universo: il Big Bang Secondo la teoria del Big Bang l'universo ha avuto origine circa 14 miliardi di anni fa da una concentrazione estremamente elevata di energia Dopo l'inizio l'universo consisteva di una miscela di particelle elementari e radiazione in equilibrio L'Universo ha cominciato a espandersi e a raffreddarsi L'ipotesi del Big Bang origina dalla osservazione che tutte le galassie si allontanano una dall'altra (legge di Hubble) Èimportante capire che ogni galassia si allontana da tutte le altre e che non esiste un centro dell'universo Per capire meglio l'espansione dell'universo occorre discutere due concetti: relazione fra Energia e Temperatura la radiazione di fotoni da parte di oggetti caldi 48

49 Energia e Temperatura Le molecole di un gas sono in continuo movimento Le velocità non sono tutte uguali Una molecola con velocità v ha una energia 1 E= mv 2 Il grafico rappresenta la frazione di molecole che hanno la velocità in dato intervallo Una quantità importante è l'energia Media <E> A livello microscopico la Temperatura è definita come 3 E = kt

50 L'Universo Caldo Dopo il Big Bang l'universo era estremamente caldo Esistevano solo particelle elementari: quarks e antiquarks leptoni e antileptoni fotoni e altri quanti (W, Z ) genericamente indicati con X Due tipi di processi annichilazione di fermioni (e/o antifermioni) in bosoni f + f 2X creazione di fermioni (e/o antifermioni) dai bosoni X + X f + f Fermione Antifermione Bosone X 50

51 Espansione - Raffreddamento W,Z,g,γ, fotoni, quark, formazione quark, leptoni leptoni dei protoni Nuclei: L'Universo è opaco + + γ + X X + f + f f + f γ + γ Si formano gli atomi + 0 e + X X L'Universo diventa trasparente Gli studi con gli acceleratori ci permettono di scoprire le leggi che descrivono i processi che hanno luogo nell'universo Primordiale 51

52 Radiazione di Energia Qualsiasi corpo a temperatura non nulla emette radiazione elettromagnetica: fotoni I fotoni emessi hanno diverse lunghezze d'onda (o energie o colori) Il grafico indica quanti fotoni sono emessi ad una data lunghezza d'onda La distribuzione delle lunghezze d'onda (o anche il colore) dipende dalla temperatura del corpo 52

53 Il Fondo Cosmico di Microonde Scoperto da Penzias e Wilson nel 1963 presso i Bell Laboratories. Per questa scoperta ricevettero il premio Nobel nel 1978 Si tratta di una radiazione elettromagnetica che ci giunge dal cielo da tutte le direzioni L energia dei fotoni è quella che avevano quando l universo è diventato trasparente La distribuzione delle lunghezze d'onda è quella di un corpo nero alla temperatura T = 2.7 o K 53

54 L'espansione dell universo Quando l universo è diventato trasparente era caldo i fotoni avevano la distribuzione del corpo nero L'Universo si espande e si raffredda A causa dell'espansione dell'universo la lunghezza d'onda dei fotoni aumenta i fotoni si raffreddano a quella temperatura Dall'epoca del Big Bang a oggi la temperatura dei fotoni si è ridotta a 2.7 o K 54

55 Lo Studio della Radiazione di Fondo Gli studi più precisi della radiazione cosmica sono fatti con i satelliti Il satellite Planck misura la temperatura dei fotoni in funzione della posizione nel cielo Ci sono delle piccolissime variazioni: qualche decina di milionesimi di grado La cosa sorprendente è che queste variazioni sono concentrate in zone Le zone più chiare corrispondono a zone più calde dove la materia era più densa Da questi addensamenti sono nate le galassie 55

56 Ai confini dello Spazio e del Tempo 56

57 Ai confini dello Spazio e del Tempo 57

58 Ai confini dello Spazio e del Tempo 58

59 Epilogo Gli esperimenti, le teorie e le idee presentate sono un veloce resoconto di delle tante straordinarie avventure intellettuali dell'uomo mai sazio di Grazie per l attenzione e. conoscenza Gli sviluppi più recenti della Fisica delle Particelle e dell'astrofisica hanno determinato una convergenza di queste discipline nel tentativo di comprendere le leggi fondamentali della Natura e la nascita dell'universo Buon Natale Un aspetto interessante delle imprese raccontate, non particolarmente evidente, è che sono il risultato della collaborazione di migliaia ( anche decine di migliaia) di scienziati appartenenti a centinaia di istituzioni differenti, di nazioni diverse La leadership è possibile, oltre che per l autorevolezza dei leader, anche perchè gli obbiettivi sono fortemente condivisi 59

60 Epilogo Gli esperimenti, le teorie e le idee presentate sono un veloce resoconto di delle tante straordinarie avventure intellettuali dell'uomo mai sazio di conoscenza Gli sviluppi più recenti della Fisica delle Particelle e dell'astrofisica hanno determinato una convergenza di queste discipline nel tentativo di comprendere le leggi fondamentali della Natura e la nascita dell'universo Un aspetto interessante delle imprese raccontate, non particolarmente evidente, è che sono il risultato della collaborazione di migliaia ( anche decine di migliaia) di scienziati appartenenti a centinaia di istituzioni differenti, di nazioni diverse La leadership è possibile, oltre che per l autorevolezza dei leader, anche perchè gli obbiettivi sono fortemente condivisi 60