La Natura si fa in 4

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1 La Natura si fa in 4 Un breve viaggio alla scoperta delle quattro forze fondamentali della Natura Museo del Balì Saltara (PU), 2 Ottobre 2009 Marco Monteno INFN - Sezione di Torino 1

2 Universalità delle leggi della fisica Tutti i fenomeni naturali possono essere spiegati almeno in principio da una catena di spiegazioni causali alla cui base vi sono una serie di leggi fondamentali e universali, valide cioé in tutto l Universo. 2

3 nel microcosmo 3

4 nel macrocosmo 4

5 dal Big Bang ad oggi 5

6 L approccio riduzionista Perché le leggi della fisica sono universali? Ipotesi: L universo é costruito, in ogni sua parte, con gli stessi costituenti elementari, che interagiscono attraverso le medesime forze Il successo dell ipotesi porta ad un punto di vista generale: Le proprietà dei sistemi complessi si possono interpretare in termini delle proprietà delle parti più semplici che li compongono e delle forze che intervengono a comporli Es: le proprietà del sistema solare (orbite di pianeti, satelliti, comete ) sono ben comprese in termini delle masse dei costituenti e della legge di gravitazione universale 6

7 La legge di gravitazione universale (1687) F = G Mm 2 R Newton, con la sua teoria, unifica (cioé descrive con le stesse leggi) i fenomeni terrestri e celesti La legge di gravitazione universale è unica, la stessa per tutti i sistemi fisici (mele, Luna, pianeti, satelliti artificiali, galassie...). E` il primo esempio di interazione fondamentale. La sorgente dell interazione è la massa dei corpi interagenti. 7

8 Le equazioni di Maxwell (1864) µ F µν =4π/c J ν ε µνρσ µ F ρσ =0 Unificando elettricità e magnetismo, Maxwell spiega la natura della luce: l ottica diventa un ramo dell elettromagnetismo La forza elettromagnetica è la seconda interazione fondamentale. La sorgente dell interazione è la carica elettrica dei corpi interagenti. Marco Monteno 8 8

9 E oggi: la fisica delle particelle elementari Si occupa della comprensione delle proprietà elementari della materia e delle interazioni fondamentali Cerca di riassumere in pochi principi guida le molteplici manifestazioni del reale. Del resto, da sempre l uomo sente la necessità di comprendere il mondo in cui vive. Alcuni esempi: Filosofia Naturale Acqua, Aria, Fuoco, Terra (Empedocle, ca. 450 a. C.) Atomo (Democrito, ca. 450 a. C.) Chimica Tavola degli Elementi (Mendeleev, 1869) Particelle Elementari Quark (Gell-Mann, Zweig, 1964)

10 Chimica: atomi e molecole Nel Settecento-Ottocento si ebbe un grande sviluppo della chimica con Gay-Lussac, Dalton, Avogadro (elementi, composti e leggi empiriche) La legge di Dalton condusse all idea di molecola: La parte più piccola di ogni sostanza (Avogadro, 1811) Ma si osservavano moltissime sostanze diverse. Ipotesi: le molecole sono fatte di atomi Da più di 10 milioni di specie molecolari si passava così a meno di 100 specie atomiche!! Era uno straordinario passo avanti nella comprensione delle proprieta della materia.

11 Il sistema periodico: Mendeleev Sistematicità nelle proprietà chimiche degli elementi Somiglianze e regolarità nelle proprietà fisiche degli atomi

12 La struttura atomica (1) Che cosa rende l atomo di un elemento chimicamente diverso o simile a quello di un altro elemento? Perché gli atomi si dispongono secondo una gerarchia di massa? Possibile spiegazione: malgrado il loro nome gli atomi sono sistemi composti

13 La struttura atomica (2) Si individuano, grazie agli esperimenti di Thompson, Millikan e Rutherford, due tipi di costituenti atomici: nuclei ed elettroni Ed è possibile costruire un modello dell atomo basato su questi costituenti. I nuclei hanno carica positiva, e gli elettroni carica negativa. La colla che li tiene uniti è il campo elettromagnetico, già noto dallo studio sperimentale dei fenomeni elettrici e magnetici a livello macroscopico. Gli elettroni sembrano essere delle particelle elementari. Ma i nuclei, molto più pesanti degli elettroni, sono particelle elementari o a loro volta sono delle particelle composte?

14 Costituenti nucleari, e tavola dei nuclidi Identificazione di protone (Rutherford) e neutrone (Chadwick) Da lì in poi vengono identificati circa 3000 diversi nuclei (per ogni elemento vi sono vari isotopi, con un numero diverso di neutroni). La situazione è simile a quella già incontrata a proposito delle specie atomiche: somiglianze, regolarità, ricorrenze. Dunque...

15 Radioattività: α,β,γ 1898 Pierre e Marie Curie scoprono la radioattività del radio e del polonio E. Rutherford scopre due tipi di radiazione nell uranio: α (non penetrante) ; β (penetrante) Negli anni successivi si scopre che le radiazioni α e β sono dotate di carica di segno opposto, in quanto deviate da un campo magnetico (per la forza di Lorentz) in versi opposti Becquerel misura e/m dei raggi β, e scopre che si tratta di elettroni 1908 Rutherford studia i raggi α, e scopre che si tratta di atomi d elio (Q=+2e, A=4) senza elettroni 1914 Rutherford studia i raggi γ (scoperti nel 1900 da Villard): si tratta di una radiazione neutra (fotoni) non deviata da un campo magnetico 15

16 Stabilità dei nuclei La radioattività è dovuta alla instabilità di i alcune specie nucleari, cioè alla loro tendenza a disintegrarsi spontaneamente in frammenti più leggeri, con varie modalità. Altri nuclei invece appaiono stabili. Come si spiega? Come fa il nucleo a restare unito, visto che i protoni (tutti di carica positiva) si respingono? Spiegazione: i costituenti del nucleo (nucleoni) sono legati da un nuovo tipo di forza, la forza nucleare (forte) A distanze dell ordine delle dimensioni dei costituenti nucleari essa prevale sulla repulsione elettrica fra i protoni. Essa ha cioè un raggio d azione molto piccolo (10-15 m)!

17 Cosa rende instabile un nucleo? Perché alcune specie nucleari sono instabili e si disintegrano spontaneamente? Perché i vari processi di disintegrazione portano a configurazioni energeticamente più stabili. Le modalità di disintegrazione sono diverse. La più interessante, nota come decadimento beta, ha strane caratteristiche. Essa provoca la trasformazione di neutroni in protoni (o viceversa), e risulta governata da un altro tipo di interazione nucleare chiamata interazione debole, molto meno intensa dell interazione elettromagnetica (e ancor più dell interazione nucleare forte). Anch essa non si manifesta fra corpi macroscopici: il suo raggio d azione è piccolissimo (< cm!)

18 Decadimento β: ipotesi del neutrino Se il decadimento β fosse una reazione nucleare a 2 corpi, cioé del tipo: X ( N, Z) Y ( N 1, Z + 1) + con un neutrone che si trasforma in un protone, lasciando costante A=N+Z, l elettrone emesso avrebbe un energia ben definita: E 2 2 ( e ) = EY M X c ( M Y M X ) c trascurando la piccola energia cinetica di rinculo del nucleo Y(A,Z+1). Invece si è visto che la distribuzione di energia di energia degli elettroni emessi è continua e Per spiegarlo, senza rinunciare al principio di conservazione dell energia, nel dicembre 1930 W. Pauli ipotizza che insieme all elettrone venga emessa anche una particella neutra di spin ½ molto leggera: il neutrino (che Pauli chiamava neutrone). 18

19 La teoria di Fermi e le interazioni deboli Nel 1934 Enrico Fermi formula una teoria che spiega il decadimento β di un nucleo attribuendolo ad una nuova interazione tra particelle che causa la trasformazione di un neutrone in un protone, con la simultanea creazione di una coppia elettrone-neutrino. Fermi descrive formalmente il processo come un interazione diretta tra correnti deboli di particelle di spin ½, cioé senza l azione di un campo mediatore (come nella teoria quantistica del campo elettromagnetico). La teoria di Fermi predice la frequenza di decadimenti β e gli spettri di energia degli elettroni emessi in funzione di un solo parametro: la costante di accoppiamento G F G F = ( hc) GeV Costante di Fermi Il valore di G F determina l intensità dell interazione Valore piccolo di G F interazione DEBOLE 19

20 Interazioni forti, deboli ed e.m. nel Sole Le stelle producono energia con processi di combustione nucleare: ad alte p e T si innescano reazioni di fusione nucleare, dove sono coinvolte interazioni nucleari forti, deboli ed elettromagnetiche : pertanto vengono emessi ν e γ. La principale sorgente di energia nel Sole è la catena di reazioni nucleari nota come ciclo p-p, con cui si ottiene elio partendo dall idrogeno. 20

21 L unità di energia ev In fisica atomica (e nucleare) è più conveniente utilizzare per l energia l unità di misura chiamata elettronvolt (ev), definita come: 19 1eV = ( C) 1( V ) = J che equivale all energia cinetica acquistata da 1 elettrone (di carica e) quando attraversa la differenza di potenziale di 1 Volt. Data la relazione massa-energia della teoria della relatività E = p c + m 2 c 4 per semplificare i calcoli (eliminando le c) converrà utilizzare altre unità di misura anche per m e p: ev E ( ev ), m, 2 c p ev c 21

22 Due nuove interazioni (nei nuclei) Interazione forte: Nuova interazione, più intensa di quella elettromagnetica, che non si manifesta fra oggetti macroscopici perché ha un raggio d azione estremamente piccolo: m! Ha un ruolo centrale nella formazione dei nuclei atomici. Interazione debole: Un altra interazione fondamentale, bizzarra e capricciosa! Incline a violare molte delle regole più sacre e rispettate dalle altre interazioni Per esempio non riesce a formare stati legati di particelle. Per quanto debole, ha un ruolo centrale nell innesco dell accensione delle stelle

23 Le interazioni fondamentali L indagine sulla struttura della materia conduce dunque a studiare le proprietà dei costituenti (particelle di materia) e delle quattro interazioni fondamentali. Come si fa? Come sempre per studiare la struttura della materia: Teoria : costruzione di modelli Esperimento: invio di sonde di vario tipo (particelle-proiettile contro un bersaglio da studiare)

24 Principi fondamentali di indagine in fisica delle particelle Modelli ed esperimenti funzionano in accordo con i sacri pilastri della fisica moderna: Teoria della relatività Meccanica quantistica

25 1 - effetti relativistici Nuovo modo di considerare materia ed energia Due conseguenze importanti: Equivalenza fra massa ed energia: E=mc 2 (Einstein, 1905) Possibilità di trasformare l una nell altra Possibilità di processi in cui le particelle si creano o si distruggono Esistenza delle antiparticelle (Dirac, 1928; Anderson, 1932) Ogni particella (elettrone, protone,..) ha una gemella di uguale massa e carica opposta: si tratta della sua anti-particella.

26 2 - effetti quantistici Nuovo modo di considerare materia e forze. Due conseguenze importanti: Quantizzazione dell energia Esistenza di livelli energetici discreti Caratteristiche ondulatorie nel comportamento delle particelle Il moto delle particelle assomiglia a quello di un onda

27 Massa ed energia Particelle di massa elevata possono essere create trasformando energia cinetica in massa. Per formare una massa grande, servono proiettili con grande energia cinetica: per raggiungerla, bisogna usare un acceleratore di particelle!

28 Potere risolutivo delle sonde Proiettili di energia elevata hanno velocità elevata. Quindi, secondo la Meccanica Quantistica: λ = h p formula di De Broglie hanno una lunghezza d onda piccola Quindi sono in grado di mettere in evidenza dettagli più minuscoli della struttura dei bersagli.

29 Applicazione: il microscopio elettronico Per osservare dettagli molto piccoli (es: virus, ) occorre una λ piccola!! Conviene usare elettroni ad energia elevata Accelerandoli a 100 kv, λ e volte più piccola di quella della luce visibile! Inoltre è facile guidarli e focalizzarli con campi elettromagnetici. 0.3 mm Dettaglio minimo 1 µm Es: immagine con microscopio elettronico a scansione 29

30 Acceleratori Un acceleratore è in pratica un Super Microscopio Condizioni preferite: collisioni testa a testa fra coppie di particelle in movimento (più energia che può trasformarsi in massa)

31 Acceleratori lineari e circolari Macchine enormi e sofisticate, con complessi sistemi di campi elettrici (per accelerare) e di campi magnetici (per curvare e focalizzare i fasci accelerati). SLAC Stanford, California CERN, Ginevra, Svizzera Acc. Lineare 3 km Acc. circolari SPS (7 km), LEP/LHC (27 km)

32 Rivelatori di particelle I sostituti dell occhio umano, per vedere particelle e radiazioni di alta energia, sono anche loro sistemi grandi e complessi ALEPH/CERN Dotati di elettronica, ottica e meccanica di precisione. E di migliaia di computer CDF/FNAL

33 Lo zoo delle particelle Moltissime particelle parenti di protone e neutrone, cioé che interagiscono fortemente e che vengono chiamate collettivamente adroni sono state osservate nel corso degli anni in collisioni ad alta energia (agli acceleratori o nei raggi cosmici). La situazione è simile a quella incontrata per atomi e nuclei... Q = - 1 Q = 0 Q = + 1 S = + 1 K 0 K + S = 0 π + π 0, η π + S = - 1 K + K 0 Q = - 1 Q = 0 Q = + 1 Q = + 2 S = S = - 1 Σ Σ 0 Σ + S = - 2 Ξ Ξ 0 S = - 3 Ω Q= -1 Q= 0 Q=+1 S= 0 n p S= -1 Σ Σ 0,Λ Σ + S= -2 Ξ + Ξ 0 Indizi di una sottostruttura negli adroni Nei raggi cosmici è stato anche scoperto il muone (che non è un adrone)

34 Anche il protone ha una struttura interna Domanda: il protone e gli altri adroni sono elementari o composti, come sembra suggerire il numeroso zoo di particelle osservato? Verifica sperimentale: collisioni ad alta energia fra elettroni (sonda elettromagnetica, à la Rutherford) e protoni. quark elettrone fotone protone Si osservano spesso elettroni diffusi a grandi angoli indicazione chiara di costituenti puntiformi dentro il protone

35 Quark Quali sono i costituenti del protone? I quark. Un enorme lavoro, sperimentale e teorico, ha portato a concludere che i quark: sono puntiformi sono di sei tipi (sapori): up, down, strange, charm, bottom (beauty), top hanno una carica elettrica frazionaria (2/3 o -1/3) interagiscono fortemente (se non sono troppo vicini ) non si osservano liberi si osservano solo sotto forma di stati legati (gli adroni sono di due tipi: barioni e mesoni) Barioni: 3 quark Mesoni: quark-antiquark p π + La forza nucleare forte tra gli adroni rappresenta una specie di forza residua delle interazioni tra i quark costituenti.

36 Leptoni Gli elettroni appartengono alla famiglia dei leptoni, ovvero particelle (puntiformi) che non sono soggette alle interazioni forti. Nel corso degli anni sono state scoperte altre 2 particelle cariche più pesanti dell elettrone, ma con caratteristiche simili: il µ e il τ. Si hanno dunque tre tipi di leptoni carichi, cioè particelle soggette solo alle interazioni deboli ed elettromagnetiche (in quanto cariche): Elettrone e Muone µ Tauone τ Si è inoltre scoperto che ad ogni leptone carico è associato un leptone neutro e molto leggero (quasi privo di massa). A tali particelle si è dato il nome di neutrini, e ve n è uno per ogni tipo di leptone carico. Neutrino elettronico ν e Neutrino muonico ν µ Neutrino tauonico ν τ I neutrini (in quanto privi di carica) non sono soggetti alle interazioni elettromagnetiche, ma solo a quelle deboli. Per questo motivo la loro probabilità di interazione è bassissima.

37 Teoria dell interazione elettromagnetica ElettroDinamica Quantistica (QED) Nella visione moderna, le cariche elettriche si sentono emettendo e assorbendo continuamente fotoni: quanti di luce Fotone Fotone Molti processi: collisione, annichilazione, materializzazione,.. È come scuotere una particella carica: classicamente essa emette onde elettromagnetiche (fotoni=quanti di luce), che a loro volta scuotono le particelle cariche che incontrano: così avviene l interazione a distanza.

38 I diagrammi di Feynman Intorno al 1950 Richard Feynman introduce una rappresentazione grafica dei processi elettromagnetici che consente di calcolarne facilmente la probabilità L interazione tra due cariche elettriche viene rappresentata come mediata dallo scambio di fotoni, particelle di massa nulla e di spin intero (sono bosoni ) L intensità dell interazione è data dalla costante d accoppiamento α (proporzionale al prodotto delle cariche elettriche interagenti) moltiplicata per un termine chiamato propagatore che dipende dall energia/quantità di moto trasferite (dal fotone scambiato). Vengono date le seguenti regole di Feynman per il calcolo dell ampiezza quantistica di un processo (il cui quadrato darà la probabilità): ad ogni vertice d interazione si associa un termine al propagatore fotonico si associa 2 1/ q α L ampiezza è data dal prodotto dei termini così costruiti: 1 α A α α = 2 2 q q 38

39 Le interazioni deboli nel Modello Standard La teoria di Fermi del 1934 va considerata come una versione approssimata della teoria elettro-debole del Modello Standard, e resta valida nel limite di basse energie (ad es. per i decadimenti radioattivi β). L interazione debole non è puntiforme, come nella teoria di Fermi, ma essendo determinata dallo scambio di un bosone mediatore (W o Z) molto pesante, il suo raggio d azione risulta molto piccolo ( fm) Ad es. nel decadimento del neutrone viene scambiato un bosone W -, ed il diagramma di Feynman che descrive il processo è: A q 2 g + 2 M W, Z Oppure, tenendo conto che un neutrone è formato da tre quark (udd) ed un protone da tre quark (uud), lo stesso processo viene descritto dal diagramma: La debolezza dell interazione è causata dal termine di propagatore, che contiene al denominatore la massa al quadrato del bosone mediatore. 39

40 L unificazione elettro-debole La teoria delle interazioni elettro-deboli del Modello Standard (Glashow, Weinberg e Salam, 1967) incorpora in un unica teoria le interazioni deboli e quelle elettromagnetiche. Partendo dalle proprietà di invarianza delle interazioni sotto opportune trasformazioni matematiche, si trova che la teoria deve includere 4 bosoni mediatori di forza: uno è il fotone γ (di massa nulla); poi ve ne sono altri tre, massivi: uno è neutro (Z 0 ), e due sono carichi (W +, W - ) m W = ± 0.05 GeV / c Gli accoppiamenti dei diversi bosoni ai vertici d interazione sono tra loro collegati dalla relazione: ' e dove l angolo di Weinberg θ W si determina dall esperimento: 2 = g sinθ = g cosθ m Z = ± GeV / c Gli accoppiamenti di γ, W e Z sono del medesimo ordine di grandezza. Che cosa é allora che rende debole l interazione debole? E qual è il suo raggio d azione? W W 2 sin 2 θ W

41 Scoperta dei bosoni Z e W al CERN 1983 C. Rubbia Esp. UA1 al CERN sul collider SPS Z e e, µ µ W + e ν e

42 La teoria delle interazioni forti (QCD) Nel 1973 D. Gross, F. Wilczek e D. Politzer propongono una nuova teoria quantistica delle interazioni forti, la Cromodinamica Quantistica (QCD) sul modello della QED, ma con le seguenti caratteristiche: L interazione forte si esercita tra quark, in quanto essi sono dotati di una proprietà chiamata colore, che ha la funzione di una carica forte L interazione forte è mediata dai gluoni (g), bosoni di massa nulla; I gluoni sono accoppiati al colore, così come il fotone γ si accoppia alla carica elettrica per le interazioni elettromagnetiche il colore e un numero quantico che si conserva con tre valori: red, green, blue. DIVERSAMENTE dalla QED, i gluoni trasportano la carica dell interazione (sono dotati di colore+anticolore) Inoltre al crescere della distanza tra i quark la forza di colore aumenta. 42

43 Il confinamento dei quark in QCD Le particelle soggette all interazione forte sono chiamate adroni. Esse si dividono in due grandi famiglie: i barioni, composti da tre quark i mesoni, composti da un quark + un antiquark. Tuttavia i quark componenti si trovano sempre in una combinazione di colori tale che lo stato risultante NON HA COLORE. Infatti al crescere della distanza tra i quark aumenta l intensità dell interazione forte che li tiene confinati all interno degli adroni (come in una molla) Dunque è impossibile separare i quark (cioé le particelle colorate) che compongono gli adroni. Ed è impossibile osservare dei quark in uno stato libero, tranne che in particolari condizioni di alte densità o temperature: in tali casi può formarsi uno stato particolare della materia chiamato Quark Gluon Plasma (QGP). La forza nucleare forte tra due adroni è una specie di forza residua tra i quark che li costituiscono (come le forze di Van der Waals tra molecole) Essa equivale allo scambio di un mesone π (come nella teoria di Yukawa). 43

44 Le 3 interazioni del Modello Standard Interazioni elettromagnetica e debole: unificate ad alta energia nell interazione elettrodebole, sentita da quark e leptoni Avviene tramite lo scambio di 4 particelle mediatrici (fotone, W ±,Z 0 ) W ±,Z 0 :parenti pesanti del fotone Interazione di colore: sentita dai soli quark Avviene con lo scambio di 8 particelle mediatrici (gluoni) Quark e gluoni apparentemente sempre confinati dentro gli adroni

45 Il Modello Standard: materia e quanti d interazione elettromagnetica BOSONI (spin 1 o 2) debole forte gravitazionale FERMIONI ( spin ½) Le particelle di materia (quark e leptoni) interagiscono tra loro scambiandosi bosoni (quanti portatori di forza): la forza può essere attrattiva o repulsiva (anche la gravità appare inclusa in questa trattazione quantistica (gravitoni), anche se in realtà non fa parte del Modello Standard) 45

46 Verifiche del Modello Standard a LEP Gli esperimenti al LEP, il collider e + e - in funzione al CERN dal 1989 al 2000, (energia di collisione: GeV), non hanno scoperto nuove particelle, ma hanno verificato le predizioni del Modello Standard con altissima precisione: misura della massa di Z e W ( m/m ~ ) determinazione del numero delle famiglie leptoniche: N ν =3 misura degli accoppiamenti : Z/W-leptoni, Z/W-quark e + e W + W qqqq

47 Questioni aperte nel Modello Standard Le misure effettuate al LEP hanno confermato che la proprietà di simmetria alla base del Modello Standard è corretta. Ma la simmetria è valida solo se tutte le particelle hanno massa nulla E invece si osservano grosse differenze tra le masse delle particelle (ed anche tra quelle dei bosoni portatori di forza). La simmetria è rotta Qual è l origine della massa? Perché le particelle hanno la massa che hanno? Perché vi sono così grosse differenze? (m top =180 GeV/c 2, quando invece la massa di un protone (che contiene tre quark uud) vale circa 1 GeV/c 2 ) E perché alcune (come il fotone) hanno massa nulla? E i neutrini, che massa hanno?

48 Il bosone di Higgs Il meccanismo di rottura della simmetria elettrodebole è il problema centrale della fisica delle particelle attuale Deve esistere un qualcosa che rompe la simmetria del vuoto e che interagendo con le particelle dà loro massa Può essere un nuovo campo elementare (BOSONE di HIGGS) oppure la manifestazione di una nuova interazione. La massa del bosone di Higgs è un parametro sconosciuto del Modello Standard.

49 Altre questioni aperte nel Modello Standard Il Modello Standard ha superato molti test, eppure anche se l Higgs venisse trovato vi sono degli elementi di insoddisfazione: contiene troppi parametri; non vi è una spiegazione per l esistenza di 3 famiglie di particelle è incompleto; e la gravità? Perché è così debole? non prevede masse per i neutrini, non ne spiega la piccolezza non spiega la materia oscura presente nell Universo (solo il 4% della materia dell Universo è visibile!) Materia oscura Materia non oscura

50 Altre idee: la SuperSimmetria Ad ogni particella che conosciamo corrisponde una particella ombra (e viceversa) molto pesante... È una simmetria tra particelle con spin diverso: bosoni fermioni ad ogni quark corrisponde uno s-quark (s sta per shadow ) ad ogni leptone corrisponde uno s-leptone Ad ogni bosone mediatore...one corrisponde un...ino (fermione) Es.: fotone fotino Se le supersimmetria esiste, verrà esplorata a LHC

51 Le particelle supersimmetriche Spin 1/2 Leptoni (e, ν e, ) Quark (u, d, ) 1 Gluoni W ± Z 0 Fotone (γ)( 0 2 Particelle del MS Higgs Gravitone Superparticelle Sleptoni (e, ~ ν ~ e, ) Squark (u, ~ ~ d, ) Gluini Wino Zino Fotino (γ)( ~ Higgsino Gravitino Spin 0 1/2 1/2 3/2 Neutralino: particella supersimmetrica piu leggera

52 Altre questioni aperte. Dov è finita l antimateria? Quando nato l Universo materia e antimateria esistevano in eguali proporzioni. In quale stato era la materia qualche frazione di secondo dopo il Big Bang? Si trovava nello stato di plasma di quark e gluoni (QGP)? È possibile riprodurlo in qualche modo in laboratorio, facendo avvenire collisioni di particelle ad altissima energia? Esistono delle extra-dimensioni dello spazio, di scala talmente piccola da risultare invisibili a bassa energia? Sarà possibile osservarne degli effetti all energia di LHC? Saranno creati dei mini-buchi neri? (se sì, saranno comunque di massa molto piccola, e decadranno in tempi brevissimi sec. Non c è alcun pericolo!!!).

53 Le tre frontiere della fisica delle particelle 1. La frontiera dell alta energia: si cerca di riprodurre in laboratorio le condizioni simili al Big Bang per mettere in evidenza direttamente eventuali nuovi fenomeni e particelle (Supersimmetria, Higgs, materia scura), oltre le predizioni del Modello Standard. 2. La frontiera della precisione e della rarità: si producono enormi quantità di particelle elementari per studiarne le proprietà dei loro decadimenti con grande precisione al fine di identificare eventuali deviazioni dalle predizioni del Modello Standard. 3. La frontiera cosmica: si rivelano le proprietà delle particelle di origine cosmica (protoni, nuclei, raggi gamma, neutrini, radiazione di fondo, etc.) per comprendere la natura dell Universo e la sua relazione con il mondo microscopico.

54 La frontiera dell alta energia: la nuova era di LHC 54

55 Il Large Hadron Collider Parametri principali Energia/fascio 7 TeV Campo Magn Dipoli 8.3 T Luminosità cm -2 s -1 Corrente per fascio 0.56 A Protoni per bunch Tempo tra 2 bunch 25 ns Energia immagazzinata in un fascio 370 MJ Costruito al CERN nello stesso tunnel di LEP (27 km, 100 m sottoterra) Collisioni pp a fasci incrociati, con energia 7+7=14 TeV (e anche collisioni PbPb, con energia 5.5 TeV/nucleone) Pacchetti di p che si incrociano ogni 25 ns 3 esperimenti (ALICE, ATLAS, CMS) nei punti di intersezione dei fasci 1 esperimento (LHCb) a bersaglio fisso + esperimenti più piccoli

56 Lo schema di LHC I protoni (o gli ioni Pb) vengono prima accelerati da un acceleratore lineare (LINAC), e poi accelerati ulteriormente in una serie di acceleratori circolari di dimensioni via via maggiori (PSB, PS e SPS). Solo alla fine vengono iniettati nell anello di LHC, all interno del quale sono accelerati (dalle cavità a radiofrequenza) fino all energia massima di 7 TeV. I due fasci circolanti in direzioni opposte vengono poi fatti collidere in alcuni punti d intersezione, in corrispondenza dei vari esperimenti.

57 Nel tunnel di LHC 1232 magneti principali (dipoli) magneti correttori (multipoli)

58 I magneti superconduttori di LHC I dipoli superconduttori (T=1.9 K) producono un campo magnetico di 8.4 T, necessario per incurvare la traiettoria dei protoni, mantenendoli sulla traiettoria circolare lungo l anello di LHC L energia racchiusa in ognuno dei 1232 magneti e = 7 MJ Un dipolo pesa 34 tonnellate 58

59 Sala di controllo di LHC

60 Struttura tipica di un esperimento a LHC Tipicamente sono necessarie decine di milioni di canali di elettronica Zona più interna: rivelatori a bassa densita per tracciare le particelle cariche che idealmente interagiscono solo per ionizzazione I muoni sono identificati per tracciatura dopo aver attraversato i calorimetri ed il traferro del magnete Una calorimetria ermetica permette di evidenziare la produzione di neutrini come energia trasversa mancante

61 Gli esperimenti di LHC Due esperimenti giganteschi: ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) e CMS (Compact Muon Solenoid) basati su rivelatori general-purpose disegnati per investigare tutti i possibili fenomeni prodotti nelle collisioni di LHC con enfasi sulla ricerca di nuova fisica (Higgs e Supersimmetria). Due esperimenti sono necessari per una verifica incrociata dei risultati. Due esperimenti di dimensione media: ALICE (A Large Ion Collider Experiment) per la ricerca del Plasma di Quark e Gluoni in collisioni tra nuclei di piombo ad un energia totale di 5.5 TeV/nucleone (un nucleo di piombo ha 208 nucleoni). LHCb (Large Hadron Collider beauty) per lo studio dei decadimenti di particelle contenenti il quark b (e la sua antiparticella), che potrebbero far luce sull assenza di antimateria nell Universo odierno Due piccoli esperimenti TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement) e LHCf (Large Hadron Collider forward) che studiano solo le particelle prodotte in avanti, e sono installati in prossimità di CMS ed ATLAS rispettivamente

62 ATLAS 45 metri di lunghezza, 25 metri di diametro è il più grande rivelatore di particelle mai costruito. Ci lavorano circa 2000 scienziati di più di 150 istituti.

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64 Compact Muon Solenoid (CMS) Peso totale ton Diametro 15 m Lunghezza 22 m Campo magnetico 4T

65 ATLAS e CMS a confronto ATLAS grandi dimensioni bassa densita, 7000 ton CMS piccole dimensioni, alta densita, ton

66 Rivelatori in CMS Muoni di alta energia possono essere prodotti solo dal decadimento di una particella pesante (Higgs?) sono facili da identificare è necessario misurare con precisione la loro quantità di moto misura della deflessione in un campo magnetico molto intenso (4T)

67 Alla scoperta del bosone di Higgs E protoni = 7 TeV 2835 pacchetti/fascio Protoni/pacchetto I B = 0.6A E fascio = 360 MJ E magneti = 600 MJ, Total 1 GJ I modi di decadimento del bosone di Higgs H H γγ H ZZ 4l (2ν, 2µ, 2e) H WW 4l. H? Con questi parametri >1 anno di operativita completa per la scoperta

68 H ZZ µ + µ - µ + µ - µ + Z µ - p µ + µ - Z p Le particelle di bassa energia vengono curvate maggiormente dal campo magnetico solenoidale Evento con 4µ di grande quantità di moto 68

69 ALICE

70 Obiettivi di ALICE Capire una proprietà basilare delle interazioni forti: il (de)confinamento Verificare le condizioni della transizione di fase dal plasma di quark e gluoni (QGP) ad adroni (transizione avvenuta nell Universo primordiale alcuni microsecondi dopo il Big Bang) Studiare il diagramma di fase della materia nucleare: produrre e studiare le proprietà del QGP

71 La transizione di fase a QGP La teoria delle interazioni forti (QCD) predice che in condizioni estreme di densità e temperatura la materia passa ad un nuovo stato in cui i quark e i gluoni non sono più confinati all interno di particelle composte quali protoni e neutroni: tale stato è il Quark Gluon Plasma (QGP). neutrone = udd Protone = uud Tale transizione di fase dovrebbe avvenire quando la temperatura eccede un valore critico di 2000 miliardi di gradi (100mila volte la temperatura all interno del sole) La transizione è avvenuta in senso inverso (da QGP a materia nucleare ordinaria) nei primi istanti di vita dell Universo.

72 Il plasma di quark e gluoni La forza che tiene insieme i quark cresce con la distanza, ma a distanze piccole diventa relativamente debole. Se si riesce a mettere molto vicini un gran numero di quark e di gluoni, otterremo una zona in cui quark e gluoni possono circolare liberamente, contrariamente a quello che fanno di solito. Si otterrà cioé un sistema di quark e gluoni colorati liberi: il quark-gluon plasma (QGP)

73 Come creare il QGP in laboratorio? Si possono usare gli acceleratori di particelle: scegliendo come proiettili degli ioni (nuclei privi di elettroni) pesanti, cioé contenenti molti protoni e neutroni (e dunque molti quark e gluoni). Ad esempio il Piombo, che ha 82 protoni e 126 neutroni. Gli ioni vengono accelerati a velocità relativistiche e poi fatti collidere. Si può così creare una zona calda e densa nella quale vengono riprodotti i valori di temperatura necessari per formare il QGP. In ALICE si studieranno le collisioni tra due fasci di ioni di Piombo, accelerati dal collider LHC in direzioni opposte, e poi fatti collidere frontalmente.

74 Problemi Tecnici Un interazione PbPb all energia di LHC produrrà migliaia di particelle Notevoli difficoltà tecniche per progetto/realizzazione dei rivelatori che dovranno identificare e analizzare tali particelle. Concettuali Il QGP ha una vita effimera (10-21 s!) Durante questa breve vita si verificano dei processi di espansione e raffreddamento che provocano una transizione verso particelle ordinarie (non colorate). Queste, dopo una fase relativamente più lunga di interazioni reciproche, volano verso i rivelatori. Sono queste le particelle che vediamo nei nostri rivelatori, e NON i quark e i gluoni del Quark-Gluon Plasma. Occorre pertanto identificare dei segnali univoci dell avvenuta formazione (per brevissimi istanti) del QGP.

75 Simulazione di un evento PbPb in ALICE

76 La frontiera della precisione Anziché aumentare sempre di più l energia dei fasci di particelle, se ne può aumentare l intensità. Esperimenti in cui si producono enormi quantità di: Mesoni strani (K) e belli (B) (contenenti rispettivamente il quark strange e il beauty ), per studiare la violazione della simmetria CP, collegata con l asimmetria cosmica tra materia e antimateria. Leptoni neutri (neutrini) Leptoni carichi (muoni) Se ne osservano le proprietà sfruttando il potere predittivo del Modello Standard Si cerca di mettere in evidenza eventuali deviazioni dalle predizioni teoriche al fine di scoprire, tramite le fluttuazioni quantistiche, gli effetti di nuove interazioni e nuove particelle Progetto di una Super-B factory nei pressi di Roma!

77 RICH Gigatracker 10 9 part/s Tubo di decadimento (~ 120 m) ~10-6 mbar KRIPTO Studiera` I decadimenti ultrarari dei mesoni K con una Sensibilita` ~ ANTI Cerchera` di evidenziare effetti di nuova fisica tramite lo studio di processi quantistici virtuali 77

78 Un fascio di neutrini viene prodotto al CERN e sparato verso il rivelatore OPERA, situato nei laboratori sotterranei del Gran Sasso. Un viaggio di 730 chilometri in appena 2,5 millisecondi! L obiettivo è quello di studiare le oscillazioni di sapore dei neutrini, cioé il loro cambiamento di identità durante il percorso (p.es: ν µ ν τ )

79 La frontiera cosmica ~ ev Mappa radiazionecosmica di corpo nero ~2.73 K (WMAP) Spettro di energia dei raggi Cosmici (Auger) Dalle energie piu`piccole a quelle piu` elevate! ~10 20 ev

80 Lancio della navicella Boomerang dall Antartide nel Obiettivo: misura del fondo cosmico di microonde (radiazione fossile).

81 BOREXINO Per la rivelazione in tempo reale dei neutrini cosmici

82 IceCube in Antartide Il ghiaccio della calotta polare cattura neutrini cosmici. La luce Cherenkov emessa viene rivelata da dispositivi calati in cavità scavate nel ghiaccio (e profonde 2.5 km)

83 NEMO (Neutrino Mediterranean Observatory): è un potentissimo telescopio sottomarino progettato per ricercare i neutrini galattici. Collocato a 3500 metri di profondità a 80 km dalla costa siciliana Consiste in una griglia sottomarina di rivelatori acustici che misurano i deboli segnali termo-acustici prodotti dalla dissipazione d energia d degli sciami di particelle generati al passaggio dai neutrini.

84 E la forza gravitazionale? La teoria della Relatività Generale Einstein nel 1916 formula la Teoria della Relatività Generale, una nuova teoria della gravitazione compatibile con il principio di equivalenza e il principio di relatività. Essa sostituisce ed estende la teoria della gravitazione universale di Newton (che ne costituisce il limite per bassi valori di campo gravitazionale e basse velocità). In tale teoria i fenomeni gravitazionali sono manifestazioni della geometria dello spazio-tempo curvo: 1) la curvatura dello spazio-tempo è determinata dalla presenza di masse; 2) ogni altra massa si muove nello spazio-tempo seguendone la curvatura, cioé lungo le traiettorie più brevi sullo spazio-tempo curvo.

85 Predizioni più significative della Teoria della Relatività Generale 1. La luce è deflessa dai campi gravitazionali, p.es. dalla massa solare (lenti gravitazionali) 2. Precessione (avanzamento) del perielio dei pianeti (per Mercurio è di 43 d arco per secolo) 3. Spostamento verso il rosso delle frequenze luminose in presenza di campi gravitazionali 4. Esistono le onde gravitazionali (ma occorre ancora rivelarle) 5. Esistono i buchi neri, regioni di spazio dove la forza gravitazionale è così intensa che nemmeno la luce può sfuggire (dunque non possiamo vederci dentro!) 6. L universo non può essere statico. Si espande. Dunque ha avuto origine da un esplosione iniziale, il Big Bang 7. Le stelle hanno un limite superiore di massa oltre il quale,al momento in cui hanno finito il carburante collassano necessariamente in buchi neri

86 L interferometro VIRGO Costruito a Cascina, vicino a Pisa, da una collaborazione italo-francese, è entrato in funzione nel Obiettivo: rivelare le onde gravitazionali previste dalla Teoria della Relatività Generale di Einstein. Si tratta di un interferometro à la Michelson-Morley, con due bracci di 3 km disposti ad angolo retto. Uno specchio semitrasparente divide il fascio laser incidente in due componenti uguali mandate nei due bracci, poi ricombinate. Un onda gravitazionale entrante dovrebbe deformare lo spazio-tempo, e dunque la lunghezza dei bracci del rivelatore, creando un piccolissimo sfasamento tra i fasci, e con esso un'alterazione dell'intensità luminosa osservata, proporzionale all'ampiezza dell'onda gravitazionale.

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88 Gravitazione e Meccanica Quantistica L interazione gravitazionale è ben conosciuta a livello macroscopico, anche nella versione di Einstein della Relatività Generale (1916), che risulta in ottimo accordo con molte verifiche sperimentali. Tuttavia, fino ad oggi è stato impossibile costruirne una versione microscopica che incorpori i principi della meccanica quantistica in maniera consistente (cioé senza divergenze). Oggi molti ritengono che il problema delle divergenze possa essere superato con la teoria delle stringhe: oggetti uni-dimensionali di estensione molto piccola, le cui vibrazioni corrispondono alle diverse particelle elementari. La teoria delle stringhe prevede l esistenza della supersimmetria (da qui il termine superstringhe), nonché di 6 dimensioni spaziali extra, a noi invisibili perché arrotolate su se stesse.

89 Teoria del Tutto Esiste une teoria che incorpori Modello Standard e Relatività Generale? Esiste cioé una teoria che descriva in modo unificato tutte e quattro le interazioni fondamentali? La Teoria M, introdotta da Edward Witten nel 1995, costituisce oggi l approccio l approccio più promettente verso una descrizione quantistica unitaria che includa la gravità. Essa ha unificato le 5 teorie esistenti di superstringhe (che vivono in 10 dimensioni). La Teoria M ha 3 ingredienti fondamentali: 1) gli oggetti elementari sono stringhe o brane (oggetti estesi); 2) lo spazio-tempo ha 7 dimensioni extra (per un totale di 11 dimensioni in cui vive la teoria); 3) esiste la supersimmetria. Il campo è aperto a ulteriori sviluppi

90 Conclusioni - I Il lungo cammino iniziato dai filosofi greci nel cercare di spiegare i fenomeni naturali a partire da un numero limitato di costituenti elementari interagenti tra di loro con determinate forze, ha portato a scoprire quattro interazioni fondamentali: gravitazionale, elettromagnetica, debole e forte. Il Modello Standard delle particelle elementari descrive con successo le interazioni tra i mattoni fondamentali della materia (quark e leptoni) con teorie quantistiche di campo che prevedono lo scambio di particelle mediatrici dell interazione (bosoni). Le interazioni elettromagnetiche e deboli vengono descritte in maniera unificata dalla Teoria Elettrodebole, mentre le interazioni forti vengono descritte da una teoria più complessa, la Cromodinamica Quantistica (QCD), secondo la quale i quark sono normalmente confinati all interno degli adroni. Tutti i fenomeni gravitazionali oggi noti sono invece accuratamente descritti dalla teoria della Relatività Generale di Einstein, che ha esteso la teoria classica di Newton. Tale teoria è tuttavia incompatibile con una trattazione quantistica, in quanto genera delle inconsistenze matematiche su scala ultramicroscopica.

91 Conclusioni - II Nel Modello Standard, a dispetto dei suoi enormi successi, rimangono molte questioni tuttora aperte: l origine della massa delle particelle; la natura del confinamento dei quark; la scarsa presenza di antimateria nell Universo attuale; l esistenza delle particelle previste dalla supersimmetria; l esistenza della materia oscura e dell energia oscura. Gli esperimenti realizzati ad LHC consentiranno di rispondere ad alcune di queste domande, portandoci oltre le conoscenze attuali. Altre risposte verranno dagli esperimenti che studiano fenomeni rari con grande precisione, nonché da quelli che osservano particelle cosmiche. Non esiste ancora una teoria quantistica del campo gravitazionale priva di inconsistenze matematiche. D altro canto essa sarebbe necessaria per comprendere la dinamica di oggetti astrofisici come i Buchi Neri e per spiegare l evoluzione dell Universo fin dai tempi del Big Bang, quando era concentrato in un volume microscopico. La struttura unitaria delle forze della Natura deve ancora essere compresa. La teoria M e le varie teorie di superstringhe costituiscono certamente approcci promettenti, ma molto resta ancora da capire.

92 Ringraziamenti E. Menichetti, P. Gambino, P. Fré, E. Migliore, E. Scomparin, A.Staiano, S. Bagnasco, A. Zanini. Siti-web consigliati: Marco Monteno (INFN Torino)