Alla ricerca dell'inaspettato nella fisica delle alte energie

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1 Riccardo Paramatti Università Sapienza e INFN Roma Porte Aperte 2018 Alla ricerca dell'inaspettato nella fisica delle alte energie

2 Nella prossima mezz ora vi parlerò di Il Modello Standard delle particelle elementari e la scoperta del bosone di Higgs. Perché cerchiamo soprattutto l inaspettato. Una breve introduzione ai rivelatori di particelle. Le attività di ricerca sperimentale in fisica delle alte energie che vedono coinvolti i docenti e ricercatori del Dipartimento di Fisica della Sapienza. Perché alte energie? Se potessimo accelerare un docente di Fisica alla velocità dei protoni di LHC, avremmo E ~ 7000 mc 2 ~10 22 Joule ~10 9 chilotoni 2

3 Di che cosa siamo fatti? Lo spazio occupato dalla materia è soprattutto vuoto Tutta la materia ordinaria che conosciamo può essere ricondotta a due tipi di costituenti elementari: elettroni e quark elettrone <10 16 cm atomo ~10 8 cm nucleo ~10 12 cm protone/ neutrone ~10 13 cm : nucleoni quark <10 16 cm 3

4 Forze e interazioni La materia, così come le particelle, interagisce attraverso le forze. Le interazioni possono agire a distanza grazie a campi di forza. Il campo gravitazionale generato dal Sole determina il moto dei pianeti. Il campo elettromagnetico permette comunicazioni a grandi distanze con la trasmissione di onde. 4

5 Forze e interazioni Le forze si possono spiegare su dimensioni microscopiche come lo scambio tra due particelle di un altra particella che fa da mediatore. Il fotone è il mediatore della forza/interazione elettromagnetica. Un applicazione della fisica dei fotoni è il laser. Le altre particelle mediatori sono i gluoni (interazione nucleare forte) e i bosoni W e Z (interazioni nucleari deboli) 5

6 Il Modello Standard Tutte le particelle elementari conosciute e le loro forze (interazioni) sono riunite in un unico modello teorico. Le particelle che formano la materia ordinaria esistono in tre repliche. Per ogni particella di materia esiste una antiparticella. Il Modello Standard non è completo: È il gravitone la particella che corrisponde al campo gravitazionale? Solo la prima replica forma la materia che ci circonda. 6

7 A che serve il campo di Higgs? Nel Modello Standard non c è modo di spiegare perché le particelle hanno la massa; esse dovrebbero sempre viaggiare alla velocità della luce, come i fotoni. Ma il mondo non è fatto così: e per fortuna! Peter Higgs e altri trovarono quasi 50 anni fa un meccanismo che permette di spiegare perché le particelle elementari hanno massa. La massa delle particelle viene generata da un nuovo campo che è presente e si manifesta in tutto lo spazio. Le particelle che interagiscono con il campo di Higgs vengono rallentate; non viaggiano più alla velocità della luce, e hanno acquistato una massa non nulla! 7

8 Il bosone di Higgs Maggiore è l intensità dell interazione col campo di Higgs, maggiore è la massa. Perciò ci sono particelle più pesanti di altre. Ma come facciamo a capire che il meccanismo di Higgs sia realmente la soluzione esistente in natura e non soltanto una ipotesi affascinante? Come ogni campo anche quello di Higgs lascia una traccia una particella associata ad esso, con proprietà ben definite, il bosone di Higgs. Ci sono voluti 50 anni per (produrre) trovare questa traccia!! 8

9 Cern - 4 luglio 2012

10 Il Modello Standard Questa teoria ha mostrato finora una impressionante capacità predittiva Le previsioni teoriche coincidono con i risultati sperimentali ottenuti negli ultimi decenni con un livello di precisione molto elevato. E ora? Cerchiamo di andare oltre al MS.

11 Il Modello Standard 11

12 Domande fondamentali (ancora) senza risposta Perché proprio tre repliche di quark e leptoni? E perché di masse così diverse? Perché nell universo esiste questa forte asimmetria tra materia e antimateria? Come è connessa la gravità alle altre tre forze? Le forze sono unificate ad altissime energie? Che massa hanno i neutrini? Cosa è la materia oscura? 12

13 L inaspettato: la ricerca di materia oscura Stelle e pianeti costituiscono solo il 5% circa del contenuto dell universo Gran parte della massa non è visibile direttamente, ma solo attraverso i suoi effetti gravitazionali Curva di rotazione della galassia M33 13

14 L inaspettato: unificazione e supersimmetria? Le intensità degli accoppiamenti nello SM non sono compatibili con una grande unificazione La Supersimmetria (SUSY) potrebbe essere un meccanismo necessario per garantire l unificazione delle interazioni Per ogni particella esisterebbe una corrispondente s-particella SUSY prevede anche particelle candidati di materia oscura: particelle stabili che interagiscono pochissimo con la materia SUSY 14

15 Ricerche sperimentali in fisica delle alte energie. Come cerchiamo fenomeni nuovi e inaspettati? Una ricca gamma di attività, dove il Dipartimento di Fisica della Sapienza e la Sezione di Roma dell Istituto Nazionale di Fisica Nucleare sono protagonisti. Esperimenti agli acceleratori di particelle (e.g. al CERN, ai LNF INFN) Esperimenti nei laboratori sotterranei (e.g. LNGS - INFN) Esperimenti con raggi cosmici In molti casi è la natura a fornirci direttamente le particelle di alta energia da studiare. 15

16 I rivelatori di particelle area attiva elettronica di lettura Nella fisica sperimentale, un rivelatore di particelle o rivelatore di radiazione è uno strumento usato per rivelare, tracciare e identificare particelle. (Wikipedia) rivelatore di fotoni I rivelatori di particelle sono strumenti che producono un segnale osservabile quando vengono colpiti da una particella. Sono solitamente costituiti da un elemento attivo (con cui interagisce la radiazione) e da un sistema di lettura (che forma il segnale e lo invia all acquisizione dati)

17 I rivelatori di particelle Le particelle non possono essere viste direttamente Solo la loro interazione con la materia può essere misurata Questa è convertita in: fotografie ottiche segnali in corrente o tensione elettrica

18 Il rivelatore ATLAS al CERN è lungo 46 metri e ha un diametro di 25 metri (un palazzo di otto piani). 18

19 Il rivelatore CMS al CERN ha una massa di tonnellate (più pesante della Torre Eiffel) I rivelatori di particelle 19

20 ATLAS e CMS al Large Hadron Collider del CERN ATLAS e CMS sono i due esperimenti multi-purpose all acceleratore LHC. Molti docenti di questo dipartimento hanno avuto un ruolo importante nella costruzioni di entrambi i rivelatori e nella preparazione delle analisi che hanno portato alla scoperta del bosone di Higgs. Run2: collisioni p-p a 13 TeV ( ) Studio delle proprietà dell Higgs (hot topic: tth) Ricerca di particelle supersimmetriche Ricerca di materia oscura Ricerca di particelle previste da modelli di extra-dimensions Ricerca di... Run3 a partire dal 2021 e poi fase 2 di LHC (dal 2026) 20

21 Genesi di una scoperta: Higgs boson in 4 leptons Un eccesso di eventi rispetto a quelli previsti dal Modello Standard non compatibili con una fluttuazione statistica. Utilizzo di analisi multivariate, reti neurali e machine learning. 21

22 Ricerca di fisica oltre il Modello Standard Alcune teorie prevedono l esistenza di nuove dimensioni spaziali, non accessibili nella nostra esperienza perché compattificate con raggi di curvatura molto piccoli. Si possono manifestare come picchi o eccessi nella parte ad alta energia delle distribuzioni. O anche come energia mancante nel rivelatore (SUSY). 22

23 Ricerca di fisica oltre il Modello Standard Se le particelle Supersimmetriche decadono in particelle stabili che non interagiscono con la materia (candidati materia oscura) nel rivelatore deve mancare energia. LHC non ha trovato finora particelle SUSY: potrebbero essere più pesanti di quanto si pensasse. 23

24 ALICE e la fisica degli ioni pesanti Ad LHC si studiano anche collisioni tra ioni pesanti (p-pb, Pb-Pb, Xe-Xe, ) ALICE è un rivelatore dedicato allo studio delle interazioni forti e del quark-gluon plasma nelle collisioni tra ioni. 24

25 CRYSBEAM Crystal channeling per estrarre fasci di adroni di alta energia da un acceleratore; studio di fattibilità di un fixed target experiment, studio di sciami adronici. Cristalli di silicio incurvati riescono ad intrappolare e deflettere protoni e ioni di LHC. 25

26 KLOE-2 ai LNF - INFN KLOE-2 è un esperimento che ha appena terminato la fase di presa dati all acceleratore DAΦNE di Frascati (Φ factory: collisioni elettrone-positrone a ~1 GeV nel centro di massa). Studio della fisica dei mesoni K e della violazione delle simmetrie discrete (CP e CPT). Studio della fisica degli adroni leggeri. Ricerca di materia oscura 26

27 PADME ai LNF - INFN L esperimento PADME (Positron Annihilation into Dark Matter Experiment) è finalizzato allo studio della reazione e+e- γa con fasci di positroni su un bersaglio sottile di diamante. A è il dark photon, nuova particella mediatore tra il Modello Standard e la materia oscura. 27

28 CUORE ai LNGS - INFN CUORE: Cryogenic Underground Observatory for Rare Events L esperimento CUORE vuole dare una risposta alla domanda fondamentale: i neutrini sono particelle di Dirac (hanno antiparticelle distinte) o di Majorana (coincidono con la propria antiparticella)? Ricerca del NDBD: decadimento doppio beta senza neutrini. T < 10 millikelvin!! In presa dati dal

29 KM3NeT per neutrini Goal: osservazione delle sorgenti astrofisiche di neutrini di altissima energia e misura della massa dei neutrini. Una rete di telescopi per neutrini in costruzione nel mar Mediterraneo che rivela luce Cherenkov prodotta dall interazione dei neutrini nel mare profondo. Hot topic: link ad un annuncio di 5 giorni fa 29

30 30

31 Ricadute tecnologiche e applicazioni di fisica medica Alcuni effetti collaterali della ricerca di base in fisica delle particelle: Adroterapia oncologia: curare i tumori con acceleratori di protoni e ioni (CNAO a Pavia) Positron emission tomography (PET) è un applicazione medica dell antimateria Il World-Wide Web è nato al CERN quasi 30 anni fa 31

32 Applied Radiation Physics Group (ARPG) L ARPG è un gruppo di ricerca composto da fisici delle alte energie e da bio-ingegneri creato nel 2011 che trasferiscono le proprie competenze nella costruzione dei rivelatori e nell analisi dei dati in applicazioni di fisica medica. Dipartimento di Fisica e di Scienze di Base Applicate per l Ingegneria (SBAI) della Sapienza. Particle Therapy: misura delle sezioni d urto per trattamento dei tumori con fasci di particelle. Costruzione di rivelatori per la chirurgia radioguidata. Programmi di simulazioni veloci con GPU per i piani di trattamento. Analisi multivariate nella diagnostica per immagini 32

33 Qualche informazione finale Ho potuto mostrarvi solo una parte delle attività di ricerca sperimentale nella fisica delle particelle che facciamo qui. Mi scuso per le inevitabili omissioni che sono mia esclusiva responsabilità. Potete trovare informazioni più complete nel Report Scientifico del Dipartimento di Fisica (link) uscito un anno fa. In particolare le pagg sono dedicate alle ricerche di alta energia. Trovate anche i nomi dei docenti e i siti web dei gruppi di ricerca. 33

34 Qualche informazione finale Altri siti utili: Dipartimento di Fisica (link) e Sezione di Roma dell Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (link). Altre attività di ricerca INFN (disponibilità tesi di Laurea e tesi di Dottorato come per le attività presentate oggi). LHC-b al CERN (studio della fisica del quark b a LHC) MEG al PSI di Zurigo (ricerca di nuova fisica mediante µ eγ) AMS2 sulla Stazione Spaziale Internazionale (misure di precisione su raggi cosmici e antimateria e ricerca di materia oscura) DAMA ai LNGS (ricerca di materia oscura con scintillatori NaI) T2K in Giappone (oscillazione dei neutrini) e molti altri. Per ulteriori informazioni potete contattarmi a: riccardo.paramatti@roma1.infn.it 34