Facciamo un esperimento di fisica delle particelle

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1 Facciamo un esperimento di fisica delle particelle - Perché studiamo la fisica delle particelle - Particelle, forze, mediatori - Il bosone Z 0 - L acceleratore LEP al CERN - Come si riconoscono i bosoni Z 0 - Un cenno al futuro - Domande, domande ed ancora domande Salvatore Mele Istituto Nazionale Fisica Nucleare

3 perché siamo CURIOSI!!!!

4 La curiosità intellettuale disinteressata è linfa e sangue della vera civiltà. G. Macaulay Trevelyan La cosa più bella che possiamo sperimentare è il mistero; è la fonte di ogni vera arte e di ogni vera scienza. A. Einstein

5 Le grandi domande della fisica fondamentale: Qual è la natura dello Spazio e del Tempo? Quali sono i costituenti fondamentali della materia e quali le forze che li governano? Qual è la storia dell Universo?

6 Le risposte. sono note solo in parte: anche se molto si è compreso negli ultimi secoli, moltissimo è ancora da capire: e aspetta menti giovani che vogliano seguir vertute e conoscenza e veleggiare dove ancora non si è giunti Tutti sanno che una cosa è impossibile da realizzare, finché arriva uno sprovveduto che non lo sa e la inventa. (A. Einstein)

7 Il Modello Standard E ad oggi la teoria che descrive le particelle elementari e le loro interazioni fino all energia di circa 200 GeV. E stato sviluppato grazie ad un insieme di scoperte sperimentali e progressi teorici ed è alla base di quello di cui vi parlerò oggi.

8 Teoria ed esperimento: quanto abbiamo esplorato l Universo? simmetria caos Energie troppo grandi Non possiamo produrle in laboratorio Raggi cosmici Estrapolazione Oggi! Studiato in laboratorio! Un unica teoria descrive la Natura fino ~200 GeV : Il Modello Standard

10 La Fisica delle Particelle (Fisica Subnucleare, Fisica delle Alte Energie) studia i costituenti ultimi della materia

11 Ma questa è solo metà della storia occorre studiare le interazioni fra particelle, ovvero le forze della Natura

12 Come si esercitano le forze tra particelle? Mediatore, bosone vettore, bosone intermedio

13 Quali sono i bosoni vettori e che forze mediano?

14 Forze e particelle del Modello Standard (ovvero senza la gravità)

15 Esiste una sola teoria per spiegare tutto l Universo? Limite sperimentale odierno Elettromagnetica Debole Forte Gravitazionale

17 L argomento di oggi: il bosone Z 0 (Per gli amici, la Z)

18 Perché la Z è importante? Se si comprende il comportamento del bosone Z, si comprende l interazione debole (o meglio elettro-debole) simmetria caos e ci si avvicina al mistero di come l Universo abbia smesso di essere simmetrico

19 Principio di indeterminazione di Heisenberg : ΔE xδt > h/2 per una particella pesante come una Z la vita media Δt èdi soli secondi La Z decade in ogni particella che senta l interazione debole Z->particella+antiparticella Tutte! o quasi! m t =175GeV 2m t =350GeV m Z = 91GeV Studiando I decadimenti della Z capiamo l intensità della forza debole!

20 Rapporti di decadimento (= Branching Ratios ) della Z Branching ratios = quanto spesso decade in una certa coppia particella-antiparticella sul totale BR(Z-> μ+μ ) = Numero(Z-> μ+μ ) / Numero(Z) Un analogia: un secchio bucato L acqua può uscire dai diversi fori ed in diverse quantità a seconda del diametro dei fori Z 0 e+eμ+μτ+τ- qq νν Esercizio di oggi: misurare i Branching Ratios

21 A che servono i Branching Ratios della Z? >La teoria suggerisce che l interazione debole è la stessa per tutti i leptoni e quindi dovremmo trovare BR(Z-> e + e - ) = BR(Z-> μ + μ - ) = BR(Z-> τ + τ - ) >La differenza tra BR(Z-> l + l - ) e BR(Z-> qq) èuna quantità importante della teoria >Di nuovo il secchio: I neutrini non si vedono! Sappiamo quante Z ci sono Contiamo tutto il resto La differenza è BR(Z->νν) Ricaviamo il numero di ν (2.984 ± 0.008) Z 0 e+eμ+μτ+τ- qq νν

22 Un po di storia: la teoria L idea che il bosone Z possa esistere (premio Nobel 1979) 1972 Strumenti matematici per descrivere le interazioni elettro-deboli (premio Nobel 1999) ma le teorie vanno verificate, altrimenti non saremmo qui!

23 Il fondatore della scienza moderna Galileo Galilei

24 CERN, 1982, la scoperta del bosone Z Collisioni protone-antiprotone 630GeV

25 1984: premio Nobel a Rubbia e van der Meer +139 autori

26 Cinque eventi vanno bene per vincere un premio Nobel, non per una misura di precisione dei Branching Ratios! Idea: costruire un acceleratore di elettroni e positroni per produrre milioni e milioni di bosoni Z con e + e - ->Z: LEP

28 Lo strumento scientifico più grande del mondo Opal Delphi L3 Aleph

29 Lo strumento scientifico più grande del mondo

30 Se il LEP fosse stato qui Quanti sono 27 km?

31 Diametro tanto grande da sembrare lineare

32 e da spostarcisi in treno!

33 Uno dei quattro rivelatori: L3

35 Come si rivelano i bosoni Z Lavoro da detective seguire gli indizi per ricostruire quello che è successo

36 Useremo dati del rivelatore DELPHI resi pubblici a scopo didattico

37 Il rivelatore DELPHI Parte centrale barrel Parte laterale, endcap

38 I rivelatori sono fatti a cipolla

39 Vogliamo rivelare elettroni, muoni, tau e quarks

41 Z->e + e - :due tracce e due clusters nel calorimetro elettromagnetico

44 Z->μ + μ - :due tracce, piccoli clusters nei calorimetri e hits nelle camere a mu

45 Come si rivelano i quarks? Interazione forte, tanto più forte tanto più due quarks si allontanano! Idea 1972, premio Nobel 2004 e + e - -> Z -> qq risulta in circa 20 particelle cariche (piu altri fotoni ): un jet adronico

46 Come si rivelano gli adroni nei jets dei quarks?

47 Come si rivelano gli adroni nei jets dei quarks?

48 Z->qq: molti adroni in due jets e quindi molte tracce e molti clusters nei calorimetri

49 Ci restano solo i τ I τ decadono, ricordate ΔE x Δt > h/2π?! m e = 0.005GeV, m μ =0.1GeV, m τ =1.8GeV τ >e+ν+ν, τ >μ+ν+ν, τ >ν+adroni Quindi Z >ττ può dare e+e+neutrini, e+μ+neutrini, μ+μ+neutrini e+adroni+neutrini, μ+adroni+neutrini Eventi con poche tracce ed energia mancante : i neutrini non si vedono!

50 Esempio Z >τ + τ e+adroni+neutrini

52 LEP spento il 3/11/2000 Acceleratore e rivelatori rimossi per fare spazio a

53 LHC: la prossima frontiera ATLAS CMS Un acceleratore di protoni da nel tunnel di LEP Costruzione TeV(=14000GeV)

54 Progetto, anni 90 ATLAS

55 Lo scavo di due immense caverne per gli esperimenti Fotografia ~2004

56 Fotografia fatta il giorno delle Masterclass 2005

57 Fotografia fatta il giorno delle Masterclass 2006

58 29 Febbraio 2008: l ultimo pezzo del puzzle viene messo al suo posto!!!

59 LHC Principali caratteristiche Progetto iniziato nel 1984 funzionante da fine 2008 per 8 10 anni circa Circa persone fra fisici e ingegneri sono coinvolti alla sua costruzione I protoni su muovono in LHC alla velocità della luce circa ( Km/s!!)

60 Energie in gioco a LHC Energia immagazzinata è di 350 MJ Quanto è grande questo numero? Un elicottero Apache pesa circa 5000 kg e viaggia a 260 km/h ovvero circa 70 m/s la sua energia cinetica è ( ) kg 70m / s E = mv = 12MJ 2 2 È come 30 elicotteri da guerra che si schiantano!!

61 LHC principali caratteristiche Servono magneti per far curvare. Questi magneti sono superconduttori Devono essere raffreddati a 1.9 K ( C)

62 Talvolta non tutto fila liscio Il 19 Settembre 2008, pochi giorni dopo l avvio con successo di LHC trasmesso in diretta mondiale, un problema di connessione elettrica fra due magneti ha generato una scarica ad arco che ha perforato un contenitore di elio liquido. Ben 6 tonnellate di elio sono fuoriuscite rapidamente danneggiando numerosi magneti La grande avventura di LHC riparte a Settembre 2009 con un po di ritardo d altronde le difficoltà da superare.sono il prezzo da pagare per potersi spingere un po più in là di quanto si sia fatto prima, e sono comuni a tutta la vera ricerca di

63 ATLAS e CMS Producono dati per 400 MB al secondo, ovvero un CD da 800 MB ogni 2 secondi ovvero 1,5 milioni di CD al mese 4

64 ATLAS e CMS Dimensioni : ATLAS: 44 m lunghezza per 25 m diametro, peso ton CMS: 21,6 m lunghezza per 14,6 m diametro, peso ton

65 Stiamo capendo le forze tra le particelle ma non sappiamo perché hanno la massa che hanno! Queste differenze sono spiegate con l interazione tra le particelle ed un altro bosone, il bosone di Higgs LHC svelerà il mistero dell origine della massa: il bosone di Higgs, che non è ancora stato osservato, dovrebbe nascondersi proprio attorno a GeV Limite sperimentale odierno

66 LHC potrebbe fare un passo verso la Grande Unificazione trovando gli Squarks. Particelle Supersimmetriche ombra delle particelle che conosciamo, predette da una teoria chiamata SUSY (SUperSymmetry) Limite sperimentale odierno

67 Negli ultimi anni abbiamo scoperto che 95% dell Universo è composto di cosechenon capiamo: materiaoscuraed energiaoscura LHC potrebbe trovare delle nuove particelle che spieghino cosa sia la dark matter e forse la dark energy! Limite sperimentale odierno

69 Perché studiamo la fisica delle particelle? Teoria : L universo comincio con un esplosione dall energia quasi infinita Il Big Bang Tempo secondi Energia GeV Temperatura K L Universo è simmetrico

70 Queste strane unità di misura secondi = (un milionesimo di miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo) volte più corto che un battito di cuore K = (trecento miliardi di miliardi di miliardi) volte più caldo che in questa stanza GeV = (cinquanta milioni di miliardi di miliardi) volte più energia che nella presa della corrente

71 In un corto periodo di tempo l Universo cresce velocemente Big Bang s s 10-4 s 100 s anni 2006 d.c. Tempo secondi Energia GeV Temperatura K L Universo è grande solo metri Confrontato alle dimensioni attuali è come fossero solo 3 metri

72 L Universo continua a crescere e non è più simmetrico Big Bang s s 10-4 s 100 s anni 2006 d.c. Tempo secondi Energia 10 2 GeV Temperatura K Quest energia è la più alta mai ricreata in laboratorio Oggi VOI studierete qualcosa che è stato creato a quest energia: i bosoni Z

73 Appaiono i protoni ed i neutroni di cui siamo fatti Big Bang s s 10-4 s 100 s anni 2006 d.c. Tempo 10-4 secondi Energia 1 GeV Temperatura K L Universo è grande quanto il nostro sistema solare!!

74 L universo si raffredda: protoni e neutroni si legano Big Bang s s 10-4 s 100 s anni 2006 d.c. Tempo 100 secondi Energia 10-4 GeV Temperatura 10 9 K Si formano nuclei di elio Questo processo continua oggi nelle stelle.

75 Si formano atomi leggeri L Universo diviene trasparente Big Bang s s 10-4 s 100 s anni 2006 d.c. Tempo anni Energia 10-9 GeV Temperatura 10 4 K La luce si propaga senza essere completamente assorbita Si possono applicare le teorie dell astronomia

76 Nascita delle galassie ed atomi pesanti Big Bang s s 10-4 s 100 s anni Tempo 1 miliardo anni Energia zero Temperatura 18 K (-255 gradi) Appaiono atomi pesanti, come il ferro Invece che un disegno artistico abbiamo una fotografia dell Universo quando aveva solo un miliardo di anni!!! 2006 d.c.

77 Big Bang Una fotografia del passato s s 10-4 s 100 s anni 2006 d.c. 14 miliardi di anni metri Hubble La luce ci mette 14 miliardi di anni per fare metri!

78 Oggi, il genere umano che ha capito tutto questo Big Bang s s 10-4 s 100 s anni 2006 d.c. Tempo 15 miliardi anni Energia zero Temperatura 3 K (-270 gradi)

79 La storia dell Universo dal Big Bang ad oggi simmetria caos Fisica delle particelle elementari (alte energie) Astronomia Chimica Biologia Una sola teoria che spiega tutto Diverse teorie e scienze per descrivere la natura