Oltre il Bosone di Higgs

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1 Oltre il Bosone di Higgs Un viaggio dalle particelle elementari alla cosmologia Francesco Ragusa Dipartimento di Fisica INFN - Milano Liceo Scientifico Statale Paolo Frisi Monza 5 Maggio 2014 Diapositive disponibili in

2 La forza come scambio di quanti Acceleratori e Big Bang Acceleratori di particelle: microscopi per l infinitamente piccolo Il CERN e l'acceleratore LHC e l esperimento ATLAS Il Modello Standard e e il Bosone di Higgs La Nascita dell'universo e il Big Bang Asimmetria Materia Antimateria Materia Oscura Energia Oscura Radiazione Cosmica di Fondo (CMB:Cosmic Microwave Background) 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: Gli elettroni (anche i protoni e i neutroni ) sono fermioni materia Il loro numero si conserva I 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 Lo studio dell infinitamente piccolo elettrone 8

9 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 + e e γ 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 9

10 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 in un fotone 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 10

11 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 11

12 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 12

13 Acceleratori lineari Per costruire un acceleratore si possono disporre tante cavità acceleratrici in serie p p L Acceleratore Lineare di SLAC: Stanford, California 13

14 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 14

15 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 15

16 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 16

17 Gli acceleratori di particelle del CERN Sono stati costruiti in epoche differenti Funzionano in cascata 17

18 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 18

19 LHC: Large Hadron Collider 19

20 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 20

21 Adesso ospita l Acceleratore l LHC 21

22 I dipoli magnetici di LHC magneti superconduttori il direttore del progetto è un professore della nostra università 22

23 I dipoli magnetici di LHC 23

24 Le bobine superconduttrici dei dipoli 24

25 Le cavità acceleratrici 25

26 La sala di controllo degli acceleratori 26

27 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 27

28 ATLAS e LHC: un evento H e + e μ + μ 28

29 Apparati Sperimentali In una interazione vengono prodotte: Particelle cariche Adroni (interazione forte) LeptoniLeptoni (interazione elettrodebole) particelle neutre FotoniFotoni Adroni Adroni (neutroni, kaoni) Neutrini (invisibili) Funzioni del rivelatore Misura della quantità di moto B delle particelle cariche Misura dell energia delle particelle neutre rivelatore adroni Identificazione rivelatore muoni rivelatore elettroni/fotoni 29

30 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 30

31 La costruzione dell esperimento esperimento ATLAS 31

32 Le Bobine del Toroide 32

33 Il Rivelatore di Vertice di ATLAS 33

34 Il Rivelatore di Vertice di ATLAS 34

35 Il rivelatore di fotoni 35

36 Il rivelatore di muoni 36

37 Il rivelatore ATLAS 37

38 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 38

39 Il Modello Standard: le forze Conosciamo quattro forze Il Modello Standard ne descrive solo tre Le forze sono realizzate attraverso lo scambio di quanti Un esempio: il decadimento beta n p n peν e W e ν e Le leggi delle forze sono ricavate da un principio di simmetria 39

40 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 40

41 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 41

42 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 e e + Z 0 μ μ + 42

43 8 October 2013 Premio Nobel per la fisica 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 43

44 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 44

45 La Nascita dell Universo: il Big Bang Secondo la teoria del Big Bang l'universo ha avuto origine 14 miliardi di anni fa da una concentrazione elevatissima 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) Hubble inventa un metodo per misurare la distanza delle galassie Scopre che le galassie si allontanano le une dalle altre Misura la velocità di allontanamento delle galassie utilizzando la misura del red-shift La velocità di allontanamento cresce con la distanza 45

46 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 L'Universo Caldo f + f 2X Creazione di fermioni (e/o antifermioni) dai bosoni X + X f + f Fermione Antifermione Bosone X 46

47 Il red-shift Tutti hanno familiarità con l effetto Doppler La frequenza di una sirena dipende dalla velocità con cui si muove la sirena Per la luce avviene lo stesso fenomeno La luce delle stelle viene analizzata La luce delle stelle ha delle righe di assorbimento caratteristiche degli elementi in esse contenuti Misurando lo spostamento delle righe si misura la velocità 47

48 L'espansione dell universo L'Universo si espande e si raffredda A causa dell'espansione dell'universo la lunghezza d'onda dei fotoni aumenta I fotoni si raffreddano 48

49 L evoluzione dell Universo La cosmologia è la scienza che studia l evoluzione dell Universo considerandolo un sistema unico L Universo contiene materia ed energia L universo attuale è dominato da fenomeni di tipo gravitazionale descritti dalla Relatività Generale L universo primordiale, subito dopo il Big Bang era dominato dalle Leggi delle Particelle Elementari Prendiamo in considerazioni alcuni fenomeni che mettono in evidenza la profonda connessione che oggi esiste fra cosmologia e fisica delle particelle elementari Asimmetria Materia Antimateria Materia Oscura Energia Oscura Radiazione Cosmica di Fondo (CMB:Cosmic Microwave Background) 49

50 Esperimenti allo Specchio Le leggi classiche della fisica possiedono una proprietà di invarianza a prima vista ovvia Consideriamo un esperimento possibile, ad esempio il moto di un oggetto sotto l effetto del campo gravitazionale Ciò che si ottiene osservando l esperimento allo specchio è anch esso un esperimento possibile In tutti e due gli esperimenti la forza di gravità si calcola allo stesso modo: È diretta verso il centro della terra o, approssimativamente, verso il basso x z y z La legge considerata è invariante per riflessione spaziale x y 50

51 Destra e Sinistra A prima vista l esperimento precedente sembra fornire una regola per distinguere destra e sinistra In realtà si potrebbe utilizzare anche la mano sinistra a condizione che: Si usi la stessa regola per calcolare sia il campo magnetico che la Forza di Lorentz Supponiamo di comunicare con un extraterrestre, ma solo a voce e senza la possibilità di vedere gli stessi oggetti (ad esempio una costellazione) Possiamo comunicare: Principi di matematica Principi di fisica Scale di lunghezza, peso Non possiamo comunicare come distinguere la destra dalla sinistra 51

52 In realtà esiste un modo Destra e Sinistra Possiamo quindi comunicare con il nostro extraterrestre e spiegargli come costruire un esperimento con cobalto, magneti, rivelatori di elettroni. Con il risultato dell esperimento si definisce la destra La mano con la quale applicare la regola per definire il senso del campo magnetico Con questa convenzione gli elettroni vanno in direzione opposta a quella del campo magnetico Possiamo infine spiegare al nostro corrispondente che sulla terra si usa stringere la mano destra per salutarsi Ma le cose sono ancora più complicate 52

53 Non Conservazione della Parità La violazione della parità stata scoperta nel 1956 dalla prof. ssa Wu su proposta di Lee e Yang Si studiava il decadimento β di un nucleo di Cobalto in presenza di un forte campo magnetico e a bassissime temperature La legge della natura che si scopre è Il cobalto emette elettroni verso in direzione opposta al campo magnetico B (verso il basso) Consideriamo adesso l esperimento allo specchio Il campo magnetico cambia segno Ci aspetteremmo gli elettroni in direzione opposta al campo magnetico B (verso l alto) Allo specchio vediamo elettroni emessi nella stessa direzione del campo magnetico L esperimento che vediamo non è possibile x z y z y B Il decadimento beta viola la parità Ci permette di distinguere la destra dalla sinistra x 53

54 Antimateria, Destra e Sinistra Ad ogni particella è associata una anti-particella Quindi anche se P e C sono separatamente violate il prodotto Protone Anti-Protone CP è invece conservato Neutrone Anti-Neutrone Elettrone Positrone Nucleo Anti-Nucleo Cobalto Anti-Cobalto L esperimento che si vede allo specchio è possibile se si sostituisce la materia con l antimateria Pertanto, se quando incontriamo l extraterrestre lui ci porge la mano sinistra per salutarci non toccatelo!! è fatto di antimateria!! Vedi: Feynman La fisica di Feynman, capitolo 52 Feynman Sei pezzi facili Feynman Sei pezzi meno facili Anti-Mondo x z y z x y Mondo 54

55 Numeri Quantici Oltre alla familiare carica elettrica, le particelle elementari hanno altre caratteristiche (Numeri Quantici) che sono conservate Numero barionico: protoni, neutroni: +1 quarks: +1/3 Numero leptonico elettrone, neutrino +1 Sapore. Leptoni di vario sapore Elettrone, muone, tau Sapore. Quarks di vario sapore Up, down, Strange, Charm, Bottom, Top Questi numeri quantici non sono sorgente di forze Sono conservati (escluso il sapore dei quarks in alcune interazioni deboli) Higgs H 0 Altri numeri quantici sono la carica elettrica e il colore che sono sorgenti di forze Nel seguito discuteremo in particolare il numero barionico In questo schema le masse sono nulle Per avere masse occorre introdurre il bosone di Higgs 55

56 Il quark down ha carica -1/3 Il protone ha carica = Il neutrone ha carica nulla = I quarks hanno numero barionico +1/3 Protone e neutrone hanno pertanto numero barionico = Il Numero Barionico Sappiamo che protone e neutrone sono In una reazione il numero barionico composti da quarks non cambia: è conservato n p e ν u u u d e p n d d In termini di quark il decadimento β si Il quark up ha carica +2/3 rappresenta con il diagramma u d d W La seguente reazione non è mai stata osservata 0 + p π e Vietata dalla conservazione del numero Barionico u d u e ν e 56

57 Dove è finita l antimaterial L universo è composto di materia. Come lo sappiamo? Lo scontro di galassie è un fenomeno osservato Se nell universo ci fosse molta antimateria dovremmo vedere le conseguenze nello spettro γ p + p γ + γ 57

58 Collisione di Galassie 58

59 Non Conservazione del Numero Barionico Pertanto l universo è composto prevalentemente di materia Questa circostanza è difficile da comprendere L universo è nato dal Big Bang Conversione di energia in uguali quantità di materia e antimateria Una delle possibilità che è oggetto di studio presuppone la violazione della conservazione del numero barionico Ad energie molto elevate potrebbero comparire nuove forze che non sono attive negli esperimenti fin qui fatti In alcuni di questi modelli sono previsti dei bosoni X di nuovo tipo X uu X d e + X uu X de Notare che questi bosoni sarebbero carichi e avrebbero una carica elettrica frazionaria Violerebbero la conservazione del numero barionico e del numero leptonico 59

60 Non Conservazione del Numero Barionico Una reazione che violerebbe il numero barionico è Potrebbe avvenire come 0 + π e p p{ u u d X e + d d} π0 Fenomeni di questo tipo sono cercati: Con esperimenti ad acceleratori con l intento di produrre bosoni X o vederne gli effetti Ad Ad esempio con gli esperimenti a LHC Misurando la vita media del protone Il Il risultato sperimentale attuale è τ p > anni 60

61 Violazione di CP Abbiamo visto che le leggi della natura sono invarianti se: Si applica una trasformazione di inversione (esperimento allo specchio) Si sostituiscono alle particelle le corrispondenti antiparticelle Le operazioni sopra indicate vengono indicate matematicamente con CP È stato scoperto che anche questa simmetria è violata Sono state misurate le frazioni di decadimento dei processi K L + + π l νl KL π l νl Quante volte K L decade nel canale indicato rispetto al totale? Se CP fosse conservata le due frazioni di decadimento sarebbero uguali + + ( π ν ) = ( π ν ) P K l P K l L l L l Si è scoperto che sono diverse Se CP fosse violata anche nei bosoni X avremmo che + P( X uu) P( X uu) P( X d e ) P( X de ) 61

62 Asimmetria Materia Antimateria Finché l universo è caldo si creano continuamente X e X L universo è in equilibrio e possibili asimmetrie si compensano Quando l universo si raffredda i bosoni X e X non si creano più e si ha uno squilibrio nell ultimo decadimento Riassumendo: Gli esperimenti mostrano che il nostro universo è composto prevalentemente da materia Nell universo primordiale materia e antimateria erano presenti nella stessa quantità ff e f f si annichilano in continuazione producendo bosoni e viceversa f + f 2γ f + f 2X γ + γ f + f X f + f Abbiamo visto che a causa della violazione di CP P( X uu) P( X uu) Quando l universo si espande e si raffredda si stabilisce un eccesso di materia sull antimateria 62

63 Asimmetria Materia Antimateria Lo squilibrio fra materia e antimateria significa che ci sono più fermioni che antifermioni Dopo l ultima annichilazione nell universo raffreddato non c è più abbastanza energia per ricreare coppi fermioni antifermioni f + f 2γ Quando l universo si è raffreddato è scomparsa l antimateria fermioni antifermioni = 1 fermione fotoni Riepilogando, perchè sia possibile il formarsi di una asimmetria fra materia e antimateria occorre: Violazione di CP Violazione del numero barionico Rottura dell equilibrio termodinamico La violazione del numero barionico è oggetto di studio sia al G. Sasso che a LHC 63

64 La Materia Oscura Un pianeta orbita intorno ad una stella L attrazione gravitazionale fornisce la forza centripeta che mantiene il pianeta nell orbita circolare L accelerazione centripeta è a v 2 = = 2 R La velocità è pertanto determinata dal raggio dell orbita e dalla massa all interno dell orbita v 2 GM = R GM R Lo stesso ragionamento vale per una stella nella galassia v velocità misurata attesa La curva della velocità attesa è calcolata utilizzando la massa luminosa La velocità misurata implica l'esistenza di materia che non emette luce Potrebbe essere costituita da particelle pesanti neutre mai rivelate 64

65 La Supersimmetria Higgs Higgsini Neutralini h 0 H 0 A 0 H ± ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ H u 0 H d 0 H u + ~ ~ ~ ~ H d Chargini + χ 1 χ 1 0 χ 1 0 χ 2 0 χ 3 0 χ 4 + χ 2 Una delle soluzioni per questo problema è fornita da una estensione del modello standard: la SuperSimmetria Ad ogni particella del Modello Standard viene associata una SuperParticella (molto pesante) Le particelle Higgs diventano 4 cui si associano altre 4 Higgsini χ 2 Wini e Higgsini carichi si mescolano e danno origine ai chargini Zini, fotini e Higgsini neutri danno origine ai neutralini Il neutralino più leggero stabile e potrebbe costituire la materia oscura LHC sta cercando le particelle supesimmetriche 65

66 Fluttuazioni Quantistiche Consideriamo un oscillatore armonico Sistema semplice e importante La massa ha un energia potenziale che dipende dall allungamento della molla La massa ha un energia cinetica che dipende dalla sua velocità U T = = 1 kx mv 2 2 ω = k m L energia minima del sistema si raggiunge quando la massa è ferma ( T = 0 ) e la molla non è allungata ( U = 0 ) E = T + U = 0 Tuttavia, in meccanica quantistica, la posizione e la quantità di moto ( mv ) non possono essere definite contemporaneamente con precisione arbitraria ΔpΔx 2 L energia minima dell oscillatore armonico non è zero! E min 1 = 2 ω 66

67 Il Vuoto non è vuoto Le particelle elementari sono descritte da campi I campi sono un sistema fisico quantistico Lo stato del campo è descritto Dal numero di particelle Dalle loro quantità di moto n = 0, 1, 2. o dalle loro energie Lo stato di energia minima si ha quando n = 0 Tuttavia, come nel caso dell oscillatore armonico, l energia di questo stato non è nulla Il principio di indeterminazione viene esteso a Energia e Tempo Un fotone di energia ΔE può apparire dal vuoto e vivere per un tempo Δt ΔEΔt 2 Lo stato con n = 0 (energia minima) è lo stato vuoto Contiene infiniti fotoni virtuali Il vuoto non è vuoto 67

68 Questo fenomeno è stato osservato sperimentalmente Effetto Casimir Il Vuoto non è vuoto Fra due conduttori nel vuoto si esercita una forza risultante dall interazione dei conduttori con i fotoni virtuali L esperimento ha misurato la forza di attrazione fra una sferetta di 100 μm di raggio a distanza di 100 nm da un piano conduttore 68

69 L energia del Vuoto Il vuoto quantistico ha una densità di energia Questa densità di energia ha conseguenze enormi sulla vita dell universo La luce emessa da una sorgente si attenua al crescere della distanza percorsa Complesso determinare la distanza di una stella Quando si conosce la quantità di luce emessa si può calcolare la distanza Si misura la quantità di luce che arriva sulla terra La distanza si ricava determinando quanto si è attenuata luce Le Supernovae sono Candele Standard La loro luminosità è nota Si conosce lo spettro di emissione 69

70 L energia del Vuoto Il telescopio spaziale Hubble è stato utilizzato per una ricerca sistematica di Supernovae Dato che la loro luminosità è nota si può calcolare la loro distanza Più sono distanti più sono antiche, indietro nel tempo Dallo spostamento delle righe spettrali si determina la loro velocità di allontanamento Si scopre che la velocità di espansione dell universo aumenta in funzione del tempo È necessario trovare la causa di questa accelerazione Una possibilità nasce nell ambito della Relatività Generale e Teoria dei Campi Quantistici L energia Oscura (Dark Energy) distanza Nobel per la Fisica 2011 red-shift velocità espansione 70

71 La composizione dell Universo 71

72 Espansione - Raffreddamento W,Z,g,γ, fotoni, quark, formazione quark, leptoni leptoni dei protoni Energia cinetica minore dell energia di legame 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 72

73 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

74 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 74

75 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 K 75

76 L'espansione dell universo Quando l universo è diventato trasparente era caldo i fotoni avevano la distribuzione del corpo nero a quella temperatura L'Universo si espande e si raffredda A causa dell'espansione dell'universo la lunghezza d'onda dei fotoni aumenta i fotoni si raffreddano Dall'epoca del Big Bang a oggi la temperatura dei fotoni si è ridotta a 2.7 K 76

77 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 77

78 Ai confini dello Spazio e del Tempo 78

79 Ai confini dello Spazio e del Tempo 79

80 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 Le ultime scoperte pongono nuove domande difficili e affascinanti I fisici del XXI secolo hanno davanti un periodo che sarà pieno di scoperte entusiasmanti che faranno ulteriormente crescere la comprensione del mondo in cui viviamo In bocca al lupo! Diapositive disponibili in 80