Facciamo un esperimento di Fisica delle Particelle

Facciamo un esperimento di Fisica delle Particelle Salvatore Mele 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!

Perché studiamo la fisica delle particelle? Teoria : L universo comincio con un esplosione dall energia quasi infinita Il Big Bang Tempo 10-43 secondi Energia 10 19 GeV Temperatura 10 32 K

Queste strane unità di misura 10-43 secondi = 0.0000000000000000000000000000000000000 000001 (un milionesimo di miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo) volte più corto che un battito di cuore 10 32 K = 300000000000000000000000000000 (trecento miliardi di miliardi di miliardi) volte più caldo che in questa stanza 10 19 GeV = 50000000000000000000000000 (cinquanta milioni di miliardi di miliardi) volte più energia che nella presa della corrente

Perché studiamo la fisica delle particelle? Teoria : L universo comincio con un esplosione dall energia quasi infinita Il Big Bang Tempo 10-43 secondi Energia 10 19 GeV Temperatura 10 32 K L Universo è simmetrico

In un corto periodo di tempo l Universo cresce velocemente Big Bang 10-35 s 10-10 s 10-4 s 100 s 300000 anni 2005 d.c. Tempo 10-35 secondi Energia 10 16 GeV Temperatura 10 27 K L Universo è grande solo 10 23 metri Confrontato alle dimensioni attuali è come fossero solo 3 metri

L Universo continua a crescere e non è più simmetrico Big Bang 10-35 s 10-10 s 10-4 s 100 s 300000 anni 2005 d.c. Tempo 10-10 secondi Energia 10 2 GeV Temperatura 10 15 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

Appaiono i protoni ed i neutroni di cui siamo fatti Big Bang 10-35 s 10-10 s 10-4 s 100 s 300000 anni 2005 d.c. Tempo 10-4 secondi Energia 1 GeV Temperatura 10 13 K L Universo è grande quanto il nostro sistema solare!!

L universo si raffredda: protoni e neutroni si legano Big Bang 10-35 s 10-10 s 10-4 s 100 s 300000 anni 2005 d.c. Tempo 100 secondi Energia 10-4 GeV Temperatura 10 9 K Si formano nuclei di elio Questo processo continua oggi nelle stelle.

Si formano atomi leggeri L Universo diviene trasparente Big Bang 10-35 s 10-10 s 10-4 s 100 s 300000 anni 2005 d.c. Tempo 300000 anni Energia 10-9 GeV Temperatura 10 4 K La lucesipropaga senza essere completamente assorbita Si possono applicare le teorie dell astronomia

Nascita delle galassie ed atomi pesanti Big Bang 10-35 s 10-10 s 10-4 s 100 s 300000 anni Tempo 1 miliardo anni Energia zero Temperatura 18 K (-255 gradi) Appaiono atomi pesanti, come il ferro Abbiamo una fotografia di quell epoca! La luce ci mette 1 miliardo di anni per fare 10 25 metri! 2005 d.c.

Oggi, il genere umano che ha capito tutto questo Big Bang 10-35 s 10-10 s 10-4 s 100 s 300000 anni 2005 d.c. Tempo 15 miliardi anni Energia zero Temperatura 3 K (-270 gradi)

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

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

Riassunto delle puntate precedenti: La Fisica delle Particelle (Fisica Subnucleare, Fisica delle Alte Energie) studia i costituenti ultimi della materia Ma questa è solo metà della storia occorre studiare le interazioni fra particelle, ovvero le forze della Natura

Come si esercitano le forze tra particelle? basketballfinal.swf Mediatore, bosone vettore, bosone intermedio

Quali sono i bosoni vettori e che forze mediano?

Il quadro completo

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

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

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

Principio di indeterminazione di Heisenberg : E x t > h/2 per una particella pesante come una Z la vita media t èdisoli 10-25 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!

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+e- µ+µτ+τ- qq νν Esercizio di oggi: misurare i Branching Ratios

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) è una 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+e- µ+µτ+τ- qq νν

Un po di storia: la teoria 1960-1967 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!

Il fondatore della scienza moderna Galileo Galilei 1564-1642

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

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

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

Lo strumento scientifico più grande del mondo Opal Delphi L3 Aleph

Se il LEP fosse stato qui Quanti sono 27 km?

Diametro tanto grande da sembrare lineare

e da spostarcisi in treno!

Uno dei quattro rivelatori: L3

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

Useremo dati del rivelatore DELPHI resi pubblici a scopo didattico

Il rivelatore DELPHI Parte centrale barrel Parte laterale, endcap

I rivelatori sono fatti a cipolla

Vogliamo rivelare elettroni, muoni, tau e quarks

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

Vogliamo rivelare elettroni, muoni, tau e quarks

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

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

Come si rivelano gli adroni nei jets dei quarks?

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

Ci restano solo i τ I τ decadono, ricordate E x t > 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!

Esempio Z >τ + τ e+adroni+neutrini

Che succede oggi pomeriggio? Vi dividete in 10 gruppi Ogni gruppo studia un diverso campione di eventi Ogni gruppo conta quanti eventi con decadimenti della Z in elettroni, muoni, tau o quark trova Confrontiamo i risultati e li mettiamo insieme Ci colleghiamo in videoconferenza con il CERN e con 5 altre scuole europee e diamo i nostri risultati Alcune altre scuole hanno analizzato i risultati di un altro esperimento (OPAL) Combiniamo tutti i risultati!

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

La prossima frontiera in fisica delle alte energie: LHC simmetria caos Energie non esplorate Oggi! LHC nel 2007-2020 Esplorerà l energia dove l Universo ha smesso di essere simmetrico, il punto piu importante per capire come funzioni! Studiato in laboratorio! Un unica teoria descrive la Natura fino ~200 GeV : Il Modello Standard

LHC: la prossima frontiera ATLAS CMS Un acceleratore di protoni da nel tunnel di LEP Costruzione 2000-2007 14TeV(=14000GeV) 5/3/2005 Il primo magnete Ne mancano 1231!

Lo scavo di due immense caverne per gli esperimenti

LHC potrebbe scoprire la Grande Unificazione Limite sperimentale odierno