Grandi scoperte della Fisica delle Particelle Elementari Andrea

Grandi scoperte della Fisica delle Particelle Elementari Andrea Ventura Università del Salento & INFN Lecce 1 marzo 2013

Modello planetario dell’atomo • 1911 E. Rutherford bombardò una sottile lamina di oro con particelle positive a, costituite da atomi di elio privati dei due elettroni. Tali raggi attraversavano la lamina senza quasi mai esserne disturbati, salvo un ~1 % che veniva deviato, anche in modo notevole o addirittura, completamente respinto • Rutherford propose un modello di atomo con quasi tutta la massa concentrata in un nucleo molto piccolo carico positivamente e gli elettroni che vi ruotano attorno 2 Gallipoli, 1 marzo 2013 A. Ventura

Modello atomico di Bohr • Il modello di Rutherford non spiegava lo spettro di emissione e di assorbimento dell’idrogeno e la sua stabilità: gli elettroni, ruotando su orbite, dovrebbero emettere onde elettromagnetiche e, perdendo energia, ricadere sul nucleo • 1913 N. Bohr postulò che gli elettroni viaggiassero su orbite stazionarie cedendo/assorbendo energia quando saltano da un’orbita all’altra • 1919 A. Sommerfeld perfezionò il modello di Bohr per spiegare gli spettri osservati per atomi più complessi. Nasceva così la Fisica quantistica Gallipoli, 1 marzo 2013 A. Ventura 3

Scoperta del neutrone • 1930 W. Bothe e H. Becker bombardarono berillio con particelle a molto energetiche, producendo radiazione neutra e assai penetrante. Be + He C + n • Due anni dopo F. Joliot e I. Curie scoprirono che particelle neutre possono espellere protoni dalla paraffina. • 1932 J. Chadwick identificò tali particelle come simili ai protoni, ma senza carica: i neutroni • I nuclei atomici sono formati da “nucleoni” (protoni e neutroni) in numero simile. Gallipoli, 1 marzo 2013 A. Ventura 4

Scoperta dell’antimateria • 1931 A conferma della teoria di P. A. M. Dirac che prevedeva stati a energie negative (1928), dallo studio dei raggi cosmici, C. D. Anderson scoprì il positrone, positrone l’antiparticella dell’elettrone • Quando una particella e un’ antiparticella interagiscono, si annichilano producendo energia 2 E = 2 m c e – e e+ • Avviene anche il contrario: un fotone produce una coppia e+e– – e Gallipoli, 1 marzo 2013 A. Ventura 5 e+

L’ipotesi del neutrino e il muone • Il neutrone è instabile e si disintegra secondo – il cosiddetto decadimento b. Ma energia e n p + e + n momento non si conservano: servirebbe una particella senza massa né carica che giustifichi tale bilancio energetico. • 1934 E. Fermi e W. Pauli ipotizzarono l’esistenza del neutrino (ma per molti anni non vi fu evidenza sperimentale…). • 1936 Dallo studio delle interazioni dei raggi cosmici Anderson scoprì una particella non presente in atomi ordinari: il muone m, con massa 207 volte maggiore dell’elettrone. I. I. Rabi commentò “Who ordered that? ” Gallipoli, 1 marzo 2013 A. Ventura 6

Scoperta del pione • Il muone fu ritenuto per oltre 10 anni il mediatore delle interazioni nucleari previsto da H. Yukawa già nel 1935. Tuttavia la sua vita media (t~2· 10 -6 s) è >> del t atteso per le forze nucleari (t~10 -23 s). • 1947 In emulsioni nucleari esposte ad alta quota C. Powell osservò eventi con pioni p+ m+ + n Mentre il m– è assai penetrante, il p– si fa catturare dal nucleo, come previsto da Yukawa. • 1956 Scoperto anche il pione neutro p 0, J. Steinberger et al. , che tipicamente decade in p 0 gg m(p+) = 139. 57 Me. V/c 2 m(p 0) = 134. 98 Me. V/c 2 Gallipoli, 1 marzo 2013 A. Ventura 7

Le particelle “strane” • Negli anni 1950 dalle interazioni dei raggi cosmici in camere a nebbia immerse in campi magnetici si iniziarono a osservare particelle “strane”: strane hanno sezioni d’urto tipiche di interazioni forti ma decadimenti in pioni con vite medie tipiche di interazioni deboli. Osservazioni di “eventi V”. • Tali particelle furono chiamate mesoni K, e si dovette introdurre un nuovo numero quantico denominato “stranezza” S. • Intanto la tecnologia necessaria per costruire acceleratori di particelle in laboratori avanzava rapidamente. Si poterono così studiare le particelle Bevatron (LBL) protoni su bersaglio fisso elementari in maniera sistematica! Gallipoli, 1 marzo 2013 A. Ventura 8

Acceleratori: principi di funzionamento Campo elettrico: accelera Campo magnetico: curva Il primo ciclotrone fu costruito da E. Lawrence a Berkeley nel 1930 Raggio di ciclotrone • Particelle α decadimenti radioattivi: 1÷ 5 Me. V • 1939: ciclotrone 1. 5 m di diametro: 19 Me. V • Massima energia di un ciclotrone: 25 Me. V • Passo successivo: sincrotrone Gallipoli, 1 marzo 2013 A. Ventura 9

I primi grandi acceleratori • 1952 BNL (Brookhaven National Laboratory): COSMOTRONE protoni da 3 Ge. V, 2000 ton di Fe, 20 m di diametro Conferma la produzione associata di particelle strane: p+p K+L • 1954 LBL (Lawrence-Berkeley Laboratory): BEVATRONE protoni da 6 Ge. V, 10000 ton di Fe. 1955 E. Segrè e O. Chamberlain _ scoprono l’antiprotone in p p p p • 1957 Dubna: SINCROFASATRONONE protoni da 10 Ge. V, 36000 ton di Fe • Negli anni 1950 USA e URSS si rincorrevano nella sfida alle energie più alte, e l’Europa…? Gallipoli, 1 marzo 2013 A. Ventura 10

La nascita del CERN • La seconda guerra mondiale aveva mandato l’Europa in rovina e disperso in USA i migliori fisici europei • 1950 L’UNESCO approvò una risoluzione cui, due anni dopo, 11 paesi europei presero parte fondando il CERN (Consiglio Europeo per la Ricerca Nucleare) • 1954 Nacque il CERN, tuttora il laboratorio di particelle elementari più grande del mondo. Sito scelto fu Meyrin, un piccolo paese vicino Ginevra • 1959 Proto. Sincrotrone, 24 Ge. V, 3200 ton, diametro 200 m Gallipoli, 1 marzo 2013 A. Ventura 11

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Premi Nobel che hanno fatto grande la Fisica delle Particelle • • • • 1906 1921 1922 1927 1932 1933 1935 1936 1938 1939 1945 1949 1950 1954 1957 J. J. Thomson A. Einstein N. Bohr A. Compton, C. Wilson W. Heisenberg P. Dirac, E. Schrodinger J. Chadwick C. Anderson, V. Hess E. Fermi E. Lawrence W. Pauli H. Yukawa C. Powell M. Born, W. Bothe T. Lee, C. Yang Gallipoli, 1 marzo 2013 • 1959 O. Chamberlain, E. Segrè • 1965 R. Feynman, J. Schwinger, S. Tomonaga • 1969 M. Gell-Mann • 1976 B. Richter, S. Ting • 1979 S. Glashow, A. Salam, S. Weinberg • 1980 J. Cronin, V. Fitch • 1984 S. van der Meer, C. Rubbia • 1988 L. Lederman, M. Schwartz, J. Steinberger • 1992 J. Charpak • 1995 M. Perl, F. Reines • 1999 G. ‘t Hooft, M. Veltman • 2004 D. Gross, D. Politzer, F. Wilczek • 2008 Y. Nambu, M. Kobayashi, T. Maskawa A. Ventura 19

Il quadro è completo! (o quasi…) nt • La descrizione dei costituenti della materia (quark e leptoni) leptoni è al completo! • Dopo la soperta del 4 luglio 2012 abbiamo forse trovato il bosone di Higgs, Higgs responsabile del meccanismo di attribuzione di massa di tutte le particelle Gallipoli, 1 marzo 2013 A. Ventura 20

Oltre il Modello Standard • I fisici negli ultimi decenni hanno formulato vari modelli teorici per provare a rispondere alle questioni irrisolte, tra i quali… • La Supersimmetria (SUSY), SUSY una tra le più accreditate • Nuovi bosoni vettori massivi (W / Z ) • Particelle esotiche long-lived (HV, etc…) • I micro-buchi neri • Le Extra-Dimensions X q Z′ q Y Gallipoli, 1 marzo 2013 A. Ventura Y X Graviton (G) Y X 21

La sfida di LHC • Il Large Hadron Collider (LHC) al CERN si propone di scoprire Nuova Fisica esplorando nuove regioni di energia • La sua costruzione è iniziata subito dopo LEP (2000) • Si faranno collidere protoni a 40 MHz a energie senza precedenti: 7+7 Te. V sette volte maggiore che al Te. Vatron!!! • Luminosità di progetto 1034 cm-2 s-1 • Oltre 1600 magneti superconduttori tenuti a T=1. 9 K da He superfluido • Una sfida tecnologica a tutti i livelli • Dopo quasi un decennio nel 2009 ci sono state le prime collisioni, lo scorso anno sono stati raccolti 50 pb-1 di dati: ora si continua a prendere dati per cercare le risposte alle importanti domande rimaste aperte Gallipoli, 1 marzo 2013 A. Ventura 22

Acceleratori e loro energie oggi • LHC coi suoi attuali 7 Te. V supera le energie mai raggiunte finora in tutti i maggiori centri con acceleratori di particelle: – Lo stesso CERN, posto sul confine franco-svizzero vicino a Ginevra. Qui fu installato il LEP, collider e+e– a 200 Ge. V. – Il DESY, ad Amburgo in Germania, ha ospitato l'HERA, che collideva elettroni o positroni con protoni a 300 Ge. V. – Lo SLAC, a Stanford in California (USA), che col suo SLC è arrivato a far collidere elettroni e positroni fino a 100 Ge. V. – Il Fermilab, a Chicago in Illinois (USA), con il Tevatron, che collide protoni ed antiprotoni a 2 Te. V. – Il Brookhaven National Laboratory, di Long Island (USA), dove si trova il RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider), che collide ioni pesanti (come gli ioni d'oro) con dei protoni da 100 Ge. V. – I Laboratori Nazionali di Frascati dell'INFN in Italia, dove ha sede DAΦNE, per la collisione di elettroni e positroni a 1. 02 Ge. V. Gallipoli, 1 marzo 2013 A. Ventura 23

Gli esperimenti all’LHC • Gli esperimenti general-purpose di LHC sono: CMS 25 m Gallipoli, 1 marzo 2013 46 m A. Ventura (Compact Muon Solenoid) ATLAS (A Toroidal LHC Apparatu. S) 24

Uno sguardo ad ATLAS Camere per rivelare muoni Calorimetro in avanti Tracciatore interno Gallipoli, 1 marzo 2013 A. Ventura Bobine dei toroidi del cilindro centrale 25

Uno sguardo ad ATLAS Event Display nella sala di controllo di ATLAS Evidenza del bosone di Higgs! 10 Settembre 2008 Primi fasci in ATLAS Gallipoli, 1 marzo 2013 A. Ventura 26

L’avventura continua! • La Fisica delle Particelle Elementari ha compiuto passi da gigante nell’ultimo secolo: non più l’ingegno di pochi per esperimenti di breve durata, ma la collaborazione di tante l’evidenze sperimentale persone Dopo per progetti lunghi anche molti anni. del bosone di Higgs • I numeri dell’esperimento ATLAS: ATLAS potremmo essere alla vigilia – Progettato nel 1992 ditranuove grandi scoperte !!! – Oltre 3000 fisici, ingegneri e tecnici – – – 170 università e laboratori di 38 nazioni 3000 km di cavi, 108 canali elettronici Misure di precisione fino a ~10 mm Acquisiti O(1016) bytes di dati all’anno Temperatura 105 volte maggiore del Sole corrispondente a 1 ns dopo il Big Bang Gallipoli, 1 marzo 2013 A. Ventura 27