La delle Particelle Elementari ovvero La Fisica delle

La � delle Particelle Elementari ovvero La Fisica delle Alte Energie ovvero La Fisica delle Forze Fondamentali della Natura G. Battistoni, INFN Milano

Le eterne domande… Di che cosa è fatto il mondo? Cosa lo tiene insieme? L'uomo è giunto a capire che la materia è in realtà un agglomerato di pochi elementi fondamentali, che costituiscono tutto il mondo della natura. La parola "fondamentale" è una parola chiave. Per elementi fondamentali noi intendiamo oggetti che sono semplici e privi di struttura interna, insomma, non composti da qualcosa di più piccolo. Cerchiamo allora ciò che è più fondamentale! G. Battistoni, INFN Milano

La storia in 5 minuti… La prima idea di cosa fosse fondamentale… G. Battistoni, INFN Milano

I Mattoni dell’Universo che costituiscono la materia L’idea che la materia fosse composta a partire da costituenti fondamentli nasce più di 2000 anni fa. Questi mattoncini elementari erano supposti essere semplici e privi di struttura, cioè non erano composti da nulla di più piccolo. ~ 450 B. C. Democrito G. Battistoni, INFN Milano

Il modello atomico G. Battistoni, INFN Milano

I Mattoni dell’Universo che costituiscono la materia Oggi sappiamo che tutta la materia dell’Universo é costruita a partire da circa un centinaio di differenti tipi di atomi. Ogni atomo é fatto di elettroni orbitanti intorno ad un nucleo con carica elettrica positiva. Il nucleo stesso consiste di altri oggetti più semplici: protoni (positivi) e neutroni (neutri). Li chiamiamo “nucleoni”. I fisici hanno cominciato già dalla metà del XX secolo a chiamare questi componenti con il nome di “particelle elementari”. G. Battistoni, INFN Milano

I Mattoni dell’Universo che costituiscono la materia L’elettrone sembra non avere alcuna struttura interna. Invece i protoni ed i neutroni sono particelle composite: ognuno contiene 3 “quarks”. Come gli elettroni, i quarks non hanno struttura. Per fare i protoni e i neutroni servono 2 tipi di quark, chiamati “up” e “down”. Forse sono questi i veri componenti “elementari” G. Battistoni, INFN Milano

Il modello atomico oggi… G. Battistoni, INFN Milano

La scala delle grandezze… Questi li consideriamo elementari G. Battistoni, INFN Milano

Altre particelle: i neutrini Per completare il quadro serve un’altra particella senza struttura: una particella molto “leggera” e neutra chiamata “neutrino”. W. Pauli Essa ha un ruolo fondamentale nelle reazioni che converto neutroni in protoni, e viceversa. Queste reazioni permettono alla matera di rimanere stabile e sono anche importanti per il funzionamento del Sole e delle altre stelle. G. Battistoni, INFN Milano

Queste 4 particelle elementari sono tutto ciò di cui abbiamo bisogno per costruire la materia ordinaria intorno a noi. Tuttavia abbiamo identificato anche forme di materia meno ordinaria che esistono ma che non possiamo vedere con gli occhi: la materia cosmica che arriva dallo spazio, la materia ad alta energia che creiamo in laborarorio e “l’immagine speculare” di tutto questo: l’antimateria. Abbiamo perciò bisogno di una descrizione molto più generale e più particelle: la teoria che oggi chiamiamo iil “Modello Standardi”. G. Battistoni, INFN Milano

La Materia Cosmica Alcuni “raggi cosmici” passano attraverso il nostro corpo ogni secondo, a prescindere dal luogo in cui siamo sulla superficie terrestre. Essi consistono di particelle create quando dei protoni (o dei nuclei atomici) che vengono dallo spazio extraterrestre collidono con gli atomi dell’atmosfera. Non vengono prodotti solo elettroni, protoni e neutroni, ma anche altri tipi di particelle. . . Fra questi ci sono i “muoni” (m) : sono simili agli elettroni ma sono 200 volte più pesanti. Inoltre, al contrario degli elettroni, che sono stabili, i m vivono circa 2. 2 microsecondi (ms) G. Battistoni, INFN Milano

x m m e e t Decadendo, il muone si converte in un elettrone e 2 neutrini: il neutrino dell’elettrone e il neutrino del muone. I muoni a loro volta vengono principalmente dal decadimento di altre particelle a vita media breve. Alcune di queste chiamate pioni (p) sono fatti di quarks “up” e “down”. Altre (i mesoni K) contengono un terzo tipo di quark, chiamato “strange”. G. Battistoni, INFN Milano

Perché i fisici studiano le particelle subatomiche? Tutto nell’universo é composto a partire da un piccolo numero di “mattoni elementari” di base: sono le particelle elementari (subatomiche), che sono governate da poche forze fondamentali. Alcune di queste particelle sono stabili e formano la materia normale. Altre invece “vivono” solo per frazioni di secondo e “decadono” in particelle stabili. Per pochi istanti, dopo il “Big Bang”, tutte queste particelle hanno convissuto. G. Battistoni, INFN Milano

Da allora (~13. 7 miliardi di anni fa) solo l’enorme concentrazione di energia che si può raggiungere in un “acceleratore di particelle” può riportare in vita quelle particelle che sono decadute. Pertanto studiare le particelle elementari é come “guardare indietro” nel tempo ricreando l’ambiente del primo Universo. Studiare le collisioni fra particelle permette di capire le forze fondamentali che governano l’Universo intero e tutto ciò che esso contiene e capire come esso si é evoluto. Per capire la formazione delle stelle, della terra, e in ultima analisi, della natura vivente. G. Battistoni, INFN Milano

Relativita’ di spazio e tempo 1) spazio e tempo formano un “continuo” 4 -dimensionale 2) “invarianza” delle leggi del moto in riferimenti inerziali 3) la velocita’ della luce (c) nel vuoto e’ una costante, indipendetemente dal riferimento Fra le conseguenze: Equivalenza di massa e energia Il significato profondo sta nel fatto che l’energia puo’ essere convertita in massa e viceversa: Non e’ piu’ necessario che in un sistema di particelle in interazione fra di loro il numero di queste rimanga costante. . . G. Battistoni, INFN Milano

Materia ad alta energia E’ difficile lavorare con in raggi cosmici: arrivano a caso da tutte le direzioni e con differenti energie. Il modo per studiare le particelle di energie così alte in modo controllato é l’uso degli acceleratori di particelle. Negli esperimenti con acceleratori sono state trovate ancora altre particelle elementari. Per esempio sappiamo che c’é una terza particella carica del tipo dell’elettrone e del muone, ma 3550 ancora più pesante dell’elettrone. Si chiama “tau” (t) e vive solo per circa 0. 3 x 10 -12 s. Esso dopo decade o in elettrone o in muone o persino in p, insieme ad un terzo tipo di neutrino: il t. G. Battistoni, INFN Milano

Molte altre particelle vengono prodotte nelle collissioni ad alta energia, ma non sono “fondamentali” (elementari), perchè sono composte da quarks. Ci sono per esempio delle particelle pesanto che sono composte da altri nuovi quarks più pesanti di “up”, “down” e “strange”: essi sono i quarks chiamati “charm”, “bottom” e “top”. Conosciamo quindi in totale 6 differenti tipi (“sapori”) di quark. G. Battistoni, INFN Milano

Materia ed Antimateria La relatività applicata alla Meccanica Quantistica produce una nuova “equazione del moto” (L’equazione di Dirac) che prevede delle soluzioni inaspettate. . . apparentemete assurde. . . P. A. M. Dirac Particelle con energia negativa? ? ? che viaggiano all’indietro nel tempo? ? ? 1932: scoperta del positrone Dopo questa scoperta sono interpretate come anti-particelle: l’anti-materia G. Battistoni, INFN Milano

Materia e Anti. Materia e antimateria sono perfettamente simmetriche: per ognuna delle particelle fondamentali della materia esiste una antiparticella che differisce solo per il segno di alcune proprietà, come la carica elettrica. Quando materia e antimateria collidono fra di loro si “annichilano” e la loro energia riappare come fotoni o altre coppie di particelle-antiparticelle. G. Battistoni, INFN Milano

L’annichilazione di un anti-protone Tracce in “emulsioni nucleari” G. Battistoni, INFN Milano

L’annichilazione elettrone-positrone G. Battistoni, INFN Milano

Materia e Anti. Materia nell’Universo Abbiamo motivi per credere che quando si é originato l’Universo, circa 13. 7 miliardi di anni fa, c’era la stessa quantita di materia e antimateria. Nell’Universo attuale invece, a parte ciò che si crea nelle collisioni, non vediamo antimateria intorno a noi. Questo é uno dei problemi che ancora non abbiamo risolto: -dove se ne é andata l’antimateria? -perchè materia e antimateria non si sono annichilate lasciando solo energia (fotoni) nell’Universo? G. Battistoni, INFN Milano

La colla della Natura: che cosa tiene insieme la materia? Le particelle fondamentali si legano fra di loro per formare strutture a tutte le scale di grandezza: dal protone che é fatto di 3 quarks, agli atomi, poi alle molecole e quindi i liquidi i solidi ecc. , fino agli enormi conglomerati di materia nelle stesse, nelle galassie. Questo é possibile per mezzo di sole 4 interazioni di base, quelle che noi chiamiamo forze. G. Battistoni, INFN Milano

Le Forze Fondamentali La più familiare fra le forze fondamentali di base é sicuramente la gravità, ma i suoi effetti sulle particelle sono estremamente piccoli. Una interazione molto più forte é quella elettromagnetica. Quando però esploriamo l’interno del nucleo atomico e strutture più piccole (i nucleoni) scopriamo 2 nuove forze: la forza nucleare debole e la forza nucleare forte. G. Battistoni, INFN Milano

La Forza Nucleare Debole La forza Nucleare debole é responsabile di una parte dell’instabilità dei nuclei atomici: fenomeno del decadimento nucleare, come il decadimento del neutrone (decadimento b): n p e - ne E’ anche alla base del processo di combustione dell’idrogeno nelle stelle. G. Battistoni, INFN Milano

La Forza Nucleare Forte La forza Nucleare forte tiene insieme i quarks dentro il protone, i neutroni e le altre particelle composite. Nel nucleo atomico, l’interazione forte é 100 volte più intensa dell’interazione elettromagnetica! La forza nucleare forte é molto speciale: diventa più forte aumentando la distanza! Le particelle che sentono l’interazione forte si chiamano “adroni” e sono tutte composte da quarks G. Battistoni, INFN Milano

1 Nucleare forte 10 -2 Elettro-Magnetica 10 -13 Nucleare debole 10 -25 Gravitazionale G. Battistoni, INFN Milano

La Fisica della Particelle oggi: il “Modello Standard” Tutte le scoperte e le teorie elaborate da migliaia di fisici dall’ultimo secolo ad oggi hanno portato all’elaborazione di un quadro sulla struttura fondamentale della materia che chiamiamo: il Modello Standard delle Forze e delle Particelle. Esso richiede: 12 particelle che costituiscono la materia e 4 particelle che sono “portatori” delle forze. G. Battistoni, INFN Milano

leptoni G. Battistoni, INFN Milano

Descrizione Moderna di cio’ che chiamiamo “Interazioni” o “Forze” Meccanica Quantistica + Relatività = Teoria Quantistica dei Campi I “diagrammi di Feynman” Un esempio di base: l’interazione elettromagnetica fra un elettrone ed un protone R. P. Feynman (1948) x e(p) x 1, t 1 e(p’) Un fotone viene “scambiato” fra la 2 particelle: esso media l’interazione p(k) x 2, t 2 p(k’) G. Battistoni, INFN Milano t

Il Decadimento b nel Modello Standard u u d d u d neutrone W- n p e ne e e G. Battistoni, INFN Milano protone

Tra i maggiori contributori moderni: Nobel 1986 Teoria elettro-debole (anni ’ 70) S. Glashow S. Weinberg A. Salam Nobel 1999 Impianto per la Teoria Unificata INFN Milano G. t’Hofft G. Battistoni, M. Veltman

Nobel 1983 C. Rubbia Scoperta del W e Z Esp. UA 1 al CERN sul collider SPS G. Battistoni, INFN Milano

Siamo alla fine della storia? Oggi il Modello Standard é quanto di meglio abbiamo, ma non riesce a spiegare tutto. Fra le domande ancora non risolte le più importanti sono: • Quale é l’origine della massa delle particelle? • Si possono unificare tutte le forze? • Dove é andata l’antimateria? • L’universo ha bisogno di anche altra materia (quella che chiamiamo la “Materia Oscura”) di cose é fatta? Siamo coscenti che il Modello Standard é solo una tappa di un cammino ancora molto lungo. . . G. Battistoni, INFN Milano

Il problema della massa. . . Le particelle hanno masse molto diverse: i fotoni e i “gluoni” hanno massa nulla mentre i W e gli Z pesano quanto 80 e 9 -0 protoni. Il quark “top” pesa il doppio di un W! Nel Modello Standard una particella acquista massa tramite un particolare processo che chiamiamo il “meccanismo di Higgs”. Questo prevede l’interazione con un’altra particella ancora: il “Bosone di Higgs”. E’ l’intensità di questa interazione che crea la massa. Dobbiamo ancora dimostrare questa ipotesi: dobbiamo scoprire se il Bosone di Higgs. INFN esiste G. Battistoni, Milano davvero!

Alla caccia del Bosone di Higgs La ricerca del bosone di Higgs é iniziata al CERN con l’acceleratore LEP e continuera con la prossima macchina: il Large Hadron Collider (LHC). G. Battistoni, INFN Milano

Come si studiano le particelle? Le particelle sono molto piccole (0. 00000001 m, ovvero 10 -15 m) , e non si possono vedere con mezzi ottici: abbiamo bisogno di strumenti particolari. Per prima cosa abbiamo bisogno di acceleratori: macchine capaci di portare queste particelle ad alta energia e farle collidere con altre particelle. Attorno al punto dove le particelle si scontrano dobbiamo costruire degli apparati in grado di “osservare” le particelle prodotte: i “rivelatori” di particelle. G. Battistoni, INFN Milano

Acceleratori come miscroscopi Cerchiamo di capire perché i microscopi non bastano. La luce visibile é fatta di onde con lunghezza d’onda compresa tra 0. 4 e 0. 8 mm: non può essere usata per vedere qualcosa piu piccolo di 1 mm! All’inizio del XX secolo abbiamo capito che le particelle si comportano come onde, la cui lunghezza d’onda é inversamente proporzionale alla loro quantità di moto! G. Battistoni, INFN Milano L. De. Broglie

Perciò, dettagli piu piccoli di 1 micron si possono esaminare usando elettroni sufficientemente energetici: é il principio del microscopio elettronico usato in biologia o in metallografia. Il microscopio elettronico é un piccolo accelaratore. Se allora vogliamo investigare dettagli un miliardo di volte piu piccoli di 1 mm dobbiamo usare energie un miliardo di volte piu grandi rispetto a quelle di un microscopio elettronico! G. Battistoni, INFN Milano

Ma come funziona un acceleratore? Un acceleratore é una camera a vuoto circondata da una serie di pompe da vuoto, magneti, cavità a radiofrequenza e circuiti elettronici Dentro il tubo a vuoto, le particelle cariche sono accelerate da campi elettrici. Questi sono applicati sotto forma di radio-onde che vengono immesse in delle cavità risonanti (“cavità a Radio Frequenza”). Le radio onde trasferiscono parte della loro energia alle particelle. G. Battistoni, INFN Milano

Per poter utilizzare un numero limitato di queste cavità, facciamo andare le particelle in un percorso lungo un anello circolare, passando e ripassando nelle stesse traiettorie molte volte: anelli circolari Le particelle si fanno curvare mediante campi magnetici. Più grande é l’energia di una particella maggiore deve essere il campo necessario per farla curvare. Ma non sappiamo fare campi magnetici più intensi di ~10 Tesla (usando la tecnologia della superconduzione): ad altissime energie gli acceleratori devono essere molto grandi! G. Battistoni, INFN Milano

Particelle accelerate e relatività Le particelle sono accelerate ad energie tali per cui arrivano ad avere velocità praticamente prossime a quelle della luce. Per descriverne il moto non possiamo usare la meccanica classica, ma solo la meccanica della relatività ristretta. G. Battistoni, INFN Milano

Gli acceleratori del CERN G. Battistoni, INFN Milano

G. Battistoni, INFN Milano

LHC Il Large Hadron Collider (LHC) inizierà ad operare nel 2007, facendo collidere fasci di protoni da 14 Te. V. 1 Te. V corrisponde all’energia del moto di una zanzara in volo. Quello che rende LHC straordinario é il fatto che concentrerà questa energia in un volume di spazio un milione di milioni più piccolo di una zanzara! L’obiettivo di LHC é lo studio del meccanismo di Higgs e di aprire le porte al superamento del Modello Standard. . . G. Battistoni, INFN Milano

LHC: una simulazione virtuale di un pezzo dell’acceleratore G. Battistoni, INFN Milano

Come facciamo a vedere le particelle? In realtà non possiamo vederle! Possiamo rivelare la traccia del loro passaggio nella materia, possiamo fare in modo che rilascino la loro energia e misurarla. Possiamo misurare la carica elettrica e la quantità di moto con un campo magnetico. . . Mettendo insieme le informazioni per ogni “traccia di particella” che viene da una collisione, possiamo ricostruire quello che e successo in ogni “evento” G. Battistoni, INFN Milano

La struttura di un apparato di rivelazione G. Battistoni, INFN Milano

“Tracking chambers” Nel passato le tracce venivano visualizzate in oggetti come le “camere a nebbia”. Poi nacquero le “camere a bolle” e o le “camere a scintilla”. Oggi usiamo dispositivi dove le particelle producono segnali di corrente elettrica che vengono “digitalizzati” e registrati mediante tecniche computeristiche: vediamo le tracce su uno schermo per mezzo di “programmi di ricostruzione”. G. Battistoni, INFN Milano

Diversi tipi di esperimenti G. Battistoni, INFN Milano

Gli esperimenti per LHC G. Battistoni, INFN Milano

La simulazione di un evento nell’esperimento ATLAS per LHC G. Battistoni, INFN Milano

Scienza o Arte? G. Battistoni, INFN Milano

G. Battistoni, INFN Milano

G. Battistoni, INFN Milano

IL progetto di fascio di neutrini da Ginevra al Gran Sasso 732 km nm G. Battistoni, INFN Milano Scopo: Rivelazione definitiva e convincente della trasformazione in volo nm nt

Una interazione di neutrino in Argon 46 cm max. drift distance CERN -beam G. Battistoni, INFN Milano ICARUS-CERN-Milano

A parte la scienza di base, la fisica delle particelle e’ utile? Acceleratori e Rivelatori richiedono sviluppi tecnologici ad altissimo livello, spesso non disponibili ancora a livello industriale. La tecnologia sviluppata in fisica delle partielle ha ricadute nella terapia dei tumori, nella diagnostica medica, nell’ “Imaging” industiale, nel campo degli strumenti di misura, dell’elettronica e dell’informatica: il WWW e’ G. Battistoni, stato inventato INFN Milano al CERN!

Particelle per la medicina: Terapia del cancro ma molto di più Oggi ci sono circa 10000 acceleratori di particelle nel mondo, e più della metà sono usati in medicina e solo alcuni per la ricerca fondamentale. Gli acceleratori in medicina sono usati in 2 modi: “Imaging” (diagnostica) e terapia. G. Battistoni, INFN Milano

Imaging Una forma complementare di diagnosi rispetto ai Raggi X fa uso di sostanze radiofarmaceutiche: sostanze radioattive che possono essere iniettati nel paziente. Una volta che sono nel corpo umano vengono fissati da certi tessuti o organi. Al momento in cui decadono, le particelle emesse possono essere rivelate e analizzate, dando informazioni utili sulle caratteristiche morfologiche e/o funzionali dell’organo in esame. I radiofarmaceutici vengono prodotti usando fasci di protoni ad alta intensità da acceleratori. G. Battistoni, INFN Milano

Terapia La radioterapia è un trattamento che si applica più di metà dei malati di cancro. Una sorta di “chirurgia biologica” dove il bisturi é sostituito da un fascio di particelle capace di sterilizzare le cellule maligne rompendo il DNA che causa la loro moltiplicazione. Lo sviluppo più recente, dopo i raggi X, , gli elettroni e i neutroni, sono i fasci di adroni (protoni, nuclei) di energia opportunamente regolata: al contrario dei raggi tradizionali, possono depositare energia in una regione ben delimitata. G. Battistoni, INFN Milano

Trattamento dei tumori della retina con un fascio di protoni G. Battistoni, INFN Milano

Particelle per la ricerca: dai virus alle stelle Gli acceleratori sono indispensabili in un vasto range di discipline. Interessanti applicazione vengono dallo sfruttamento della “radiazione di sincrotrone” raggi X emessi da fasci di particelle curvanti: usati per l’analisi di strutture molto piccole: dai virus fino ai nuovi materiali. G. Battistoni, INFN Milano

Con gli acceleratori si possono produrre artificialmente particelle ed elementi instabili. Gli elementi instabili hanno un ruolo importante nella catena della fusione nucleare delle stelle. Sono anche importanti nella tecnologia dei semiconduttori. G. Battistoni, INFN Milano

La comprensione dell’Universo Eta’ dell’Universo Temperatura Densita’ Energia 1012 s 104 K 10 -18 g/cm 2 1 e. V 1 s 1010 K 106 g/cm 2 106 e. V 10 -6 s 1013 K 10 -6 g/cm 2 109 e. V 10 -12 s 1016 K 10 -30 g/cm 2 1012 e. V G. Battistoni, INFN Milano

t = 15 109 anni: vita , noi, ora, T = 3 K t = 5 109: anni galassie t=1 109 anni: Proto-galassie era della materia t = 3 105 anni: Disaccoppiamento materia-radiazione T=3000 K t = 104 anni: Inizia l’era dominata dalla materia t = 180 s: Nucleosintesi T=7. 5 108 K T= 1. 8 104 K era della radiazione t = 1 s: Annichilazione elettroni-positroni T=1010 K -4 s: Era “leptonica” t ~ 10 -6 13 t < 10 s: i quarks si combinano in p e n T=10 K t ~ 10 -10 s: Separazione forza elettro-debole T=1015 K t < 10 -36 s: “Era della Grande Unificazione” T=1028 K t = 10 -43 s: Tempo di Planc. K: Limite della fisica moderna G. Battistoni, INFN Milano

Particelle per l’industria: applicazioni tecnologiche Ci sono adesso molte applicazioni che usano direttamente acceleratori o che beneficiano della tecnologia degli acceleratori. Si possono fare alcuni esempi. Irradiazione con fasci di elettroni: sterilizzazione, qualità dei materiali. . . (esempio dei guanti di gomma), litografia dei chip di silicio Impiantazione di ioni sulle superfici di materiali. (esempio dei motori di aero, articolazioni artificiali) Attivazione di strati Scanners: ricerca di esplosivi ed altre sostanze Strumenti per il “survey” geometrico G. Battistoni, INFN Milano

Conclusioni L’Universo é regolato da poche forze fondamentali e la materia é composta da un numero limitato di blocchi fondamentali Siamo capaci di comprendere gran parte di questo quadro, ma non é ancora completo! Abbiamo bisogno di nuove forze per continuare l’esplorazione più affascinante che l’umanità abbia mai intrapreso: ti aspettiamo!!! G. Battistoni, INFN Milano