Laboratori Nazionali di Frascati Istituto Nazionale di Fisica
Laboratori Nazionali di Frascati Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Frascati 20 -11 -2008 La Rivoluzione della Fisica Moderna ovvero di che cosa siamo fatti e come interagiamo con le forze dell’Universo Fabrizio Murtas (fabrizio. murtas@lnf. infn. it)
Il Modello Antico Costituenti materiali Terra Acqua Aria Forze Fuoco Sin dall’antichità l’umanità ha cercato di capire quali fossero i costituenti fondamentali dell’universo F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
Atomi Dopo circa 2000 anni (1900 d. C), questa era la visione della materia L’organizzazione di tutti i tipi di atomi in una Tabella Periodica è di fatto il suggerimento che esiste una struttura più semplice che ne governa la regolarità. F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
Struttura dell’atomo • Nel 1897 Thompson scopre l’elettrone • Se l’elettrone è carico negativamente questo implica – L’atomo non è elementare, – Ci deve anche essere una carica positiva. elettroni carica positiva distribuita Rutherford: il primo fisico delle alte energie La struttura della materia puo’ essere indagata con fasci di particelle F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
Dagli atomi …. . Fine ‘ 800 Atomo L’atomo Inizio ‘ 900 Il modello atomico planetario Tutta la materia e’ composta di : • Elettroni • Protoni • Neutroni Tutto il resto è vuoto !!! F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
Solo 3 particelle elementari ? Grazie a nuovi acceleratori ed a rivelatori di particelle come la Camera a bolle, il numero di particelle elementari alla fine degli anni ’ 50 era notevolmente aumentato p e - ne S 0 S- r + + S n K K 0 Dov’è l’ordine ? p m K 0 nm p 0 K L F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
Nuova regolarità • Nel 1961 Gell-Mann & Ne’eman fecero per le particelle “fondamentali” cio che Mendeleev aveva fatto 100 anni prima per gli atomi “fondamentali”. n S p S=0 S 0 L - - S+ S = -1 Q = +1 0 S = +1 S=0 S = -1 K 0 p 0 h p. K- S*- p+ K 0 S*0 S = -3 K+ D+ D 0 S = -2 Q=0 Q = -1 D- *- W- D++ S*+ Q = +2 Q = +1 *0 Q=0 Q = -1 Ci deve essere una struttura sottostante F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
Dagli atomi ai quark Fine ‘ 800 L’atomo Atomo Protone Inizio ‘ 900 Il modello atomico planetario Anni 30 La struttura del nucleo atomico (protone e neutrone) Anni 60 La struttura subnucleare a quark … il protone ed il neutrone non sono elementari !!! F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
I Quarks I quarks hanno carica frazionaria ! u u d Quark up Q = +2/3 Quark down Q = -1/3 Q = +2/3 -1/3 = 0 d d Neutrone Q= +2/3 -1/3 = 0 Protone Q= +2/3 -1/3 = 1 Particella “strana” L u u s d F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
La scoperta dell’antimateria Nel 1932 il fisico americano Anderson, studiando i raggi cosmici, scoprì una particella che si comportava esattamente come un elettrone, ma con carica elettrica positiva. Dopo la scoperta si riuscì anche a produrli in laboratorio bombardando piastre metalliche con fotoni di energia hn > 1 Me. V. spin + 1/2 Questo perchè , entrando in collisione con i nuclei, i fotoni sparivano e davano vita a coppie e+ e-. Essendo la massa e+ dell’elettrone 0, 5 Me. V/c 2 il fenomeno si verifica solo sopra la soglia. Carl David Anderson (1905 – 1991) Si cominciò quindi a pensare che anche il protone e il neutrone potessero avere un’antiparticella. Grazie alla costruzione dei primi moderni acceleratori di particelle nel 1955 fu scoperto l’antiprotone da Emilio Segrè e Owen Chamberlain, e nel 1956 l’antineutrone da Bruce Cork. 10 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
Collisione materia antimateria muone E = m c 2 antielettrone antimuone F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
Ad. A: Anello di Accumulazione F r a s c a t i 1961 1 m Bruno Touschek Il prototipo dei collisori materia-antimateria F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
Materia e Antimateria t a + g a m- e- e+ e- m+ E = 2 mmet c 2 e+ t. Con i collisori si raggiungono energie molto elevate con possibilità di studiare asimmetrie tra materia e antimateria. F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
I discendenti di Ad. A nel mondo I collisori elettroni - antielettroni KEK B PEPII CESR Quark s DORIS DAFNE VEPP 2 Quark b PEP PETRA BEPC LEP II LEP I VEPP 4 SPEAR ADONE II ACO DCI DAFNE LEPADONE al Cern ADONE F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
… ma da cosa è composta la materia Leptoni Quarks Costituenti materiali u c t d s b up down charm top strange bottom ne nm nt e-neutrino m-neutrino t-neutrino e m t elettrone muone tau I II III Famiglie di materia …. ovvero la materia è composta da 12 fermioni suddivisi in tre famiglie La Materia stabile F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
Le famiglie “si parlano” Interazione debole dei fermioni u up d down c charm s strange t top b bottom Se così fosse avremmo un Universo composto da particelle appartenenti a tutte e tre le famiglie. . . Universo estremamente complicato ! Questa “rotazione” e’ descritta dalla matrice di Cabibbo-Kobayashi-Maskawa Le particelle dotate di Top e Charm hanno una vita media più piccola rispetto alle particelle dotate di Bottom e Strange. Misurando i decadimenti queste particelle di fatto misuriamo gli angoli di questa rotazione (il primo fù l’angolo di Cabibbo) F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
Numero di decadimenti Z … ma quante famiglie ci sono ? Solo tre famiglie Larghezza (DE) dello Z Misura di alta precisione fatta al CERN con il collisore LEP Massa Z (=E/c 2) F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
I Fermioni : le masse Q U 0. 003 A 1 R K S 0. 006 L E P 0. 0005 T O N » 0 I. u up 1. 5 c charm 175 t 4 b top Gev » protone d down e elettrone ne neutrino e 0. 12 0. 105 . » 0 s strange m 1. 8 muone nm neutrino m . » 0 bottom t tau nt neutrino t F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
I Fermioni : la carica elettromagnetica Q + 2/3 U A 1 R K S - 1/3 L E P -1 T O N 0 I u up + 2/3 c charm t + 2/3 top = carica dell’elettrone (o protone) d - 1/3 e -1 ne 0 down elettrone neutrino e s - 1/3 m -1 strange muone n m neutrino m b bottom t tau 0 nt neutrino t F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
Anti-materia : tutte le cariche opposte ! Q - 2/3 U A R K S + 1/3 u - 2/3 d + 1/3 e +1 up + neutrino e s + 1/3 m+ +1 n 0 m neutrino m b bottom t+ tau muone 0 t top strange positrone ne - 2/3 charm down L E +1 P T O 0 N I c nt neutrino t F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
… e le forze ?
Le forze fondamentali Forza Gravitazionale Intensità relativa 1 Vi tiene seduti sulle sedie Debole 1029 Decadimenti radioattivi Elettromagnetica 1040 Tiene insieme elettroni e protoni Forte 1043 Tiene insieme i nuclei Ciascuna forza, ha una particella associata ad essa, un bosone di gauge, che permette alla forza di agire a distanza. Ad esempio per la forza elettromagnetica la teoria è l’elettrodinamica quantistica QED e il bosone di gauge è il fotone. F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
I Bosoni: le masse g fotone 0 g gluone 0 W Z bosone 80. 4 Ge. V 91. 2 Ge. V 1 Ge. V » protone F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
Materia e campi di Forza Vediamo ora come interagiscono le particelle di materia (o antimateria) ee- tempo eg e- Questi diagrammi non sono soltanto rappresentazioni grafiche ma autentiche formule matematiche ci permettono di calcolare l’intensità dell’interazione. Grafici di Feynman Gli elettroni si scambiano un bosone: il fotone (il mediatore di forza ). F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
Scoperta del neutrino Nel 1896 Bequerel scopre la radioattività naturale: alcuni materiali come l’Uranio o il Radio producono raggi a, b o g. Nel 1930 Pauli fa l’ipotesi che insieme all’emissione di b vengano emesse particelle neutre di massa molto piccola : i neutrini. p n n Con il modello a quark. . . du n mn¹ 0 eu n eventi e- energia di e- n d F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
Il bosone W Ma come avviene l’interazione debole ? u d u en d tempo Il bosone W interagendo con il fermione ne cambia il “sapore” W en La costante di accoppiamento del fermione al W è molto vicina ad a della QED. Quello che rende debole l’interazione è il fatto che il bosone W ha una massa molto elevata (probabilità più bassa di emissione) F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
Interazioni del neutrino n e, m, t e -, m -, t W d u d neutrone u u d protone La sezione d’urto che si ricava da questo diagramma di Feynmann e’ di 10 -38 cm 2 Diametro dell’atomo 10 -8 cm Diametro del nucleo 10 -13 cm Quindi i neutrini interagiscono pochissimo con la materia ! Esperimento CHORUS al CERN F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
Lunga vita al sole Grazie alla forza debole la combustione dell’idrogeno in elio e’ sufficientemente lenta da dare al sole una vita di 10 Miliardi di anni protone neutrone Si potrebbe dire che lo sviluppo delle forme di vita nell’universo e’ possibile grazie all’esistenza della forza debole. F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
Piccoli Big Bang al Lep Esperimento ALEPH 1988 -2001 + t- eee+++eee--- mte+ m e F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
Cromo Dinamica Quantisitca • Dato il grande successo della QED, negli anni ‘ 70 si sviluppò una teoria quantistica delle interazioni forti che venne chiamata Cromo Dinamica Quantisitca (QCD). Questa teoria include un nuovo bosone di gauge chiamato gluone. • La “carica” delle interazioni forti è chiamata colore, e ciascun quark ha tre possibili valori di colore: rosso verde e blu. Questo tipo di interazione è mediata da un gluone. Quark “anti-verde” Quark “verde” Gluone “rosso-antiverde” Quark “rosso” La particella così composta (barione) risulta “bianca” La particella così composta (mesone) risulta “bianca” F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
Perchè non si vedono i Quark ? • La forza forte fra i quarks decresce con il decrescere della distanza (libertà asintotica) e aumenta alle grandi distanze • Questo e’ ciò che succede quando si cerca di estrarre un quark da un barione : mesone protone L’Energia nel campo aumenta fino a. . . raggingere E=Mc 2 (M=m+m) per produrre una coppia di quark e anti-quark Un quark rimarrà nel barione, mentre l’antiquark si unirà al quark strappato per formare un mesone F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
Evidenza della QCD La QCD mi dice che non posso vedere dei quark liberi. Quindi, cosa succede se provo a far scontrare due protoni ad energie sempre più elevate? p a s 2 p Ma i gluoni possono interagire tra di loro in quanto anche loro sono colorati !! p p a s 3 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
Creazione di quarks al LEP ee+ +ee- - qqqqg 1 cm F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
Contributo dell’INFN Materia u up c s Forze t g gluone g charm top down strange bottom b fotone e-neutrino m-neutrino t-neutrino bosone d ne e elettrone nm m muone nt t tau Adone a Frascati 1974 Gamma 2 W Z bosone F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
Contributo dell’INFN Materia u up c s Forze t g gluone g charm top down strange bottom fotone e-neutrino m-neutrino t-neutrino bosone d ne e elettrone nm m muone b nt t tau W Z Esperimento UA 1 al collisore protone-antiprotone del CERN di Ginevra C. Rubbia Evento con Z° bosone F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
Il Modello Standard u c t g d s b g up down charm top strange bottom gluone fotone ne nm nt W e-neutrino m-neutrino t-neutrino e m t elettrone muone tau bosone Z bosone Mediatori di Forze Leptoni Quarks Costituenti materiali Forze I II III Bosone Famiglie di di Higgs materia ? F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
…e l’antimateria ? perche è scomparsa dopo il Big Bang ?
Asimmetria tra materia e antimateria studiata a Kloe e Dafne a Frascati DAFNE 1999 -2006 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
… perchè le particelle hanno massa ?
Higgs e la massa dei fermioni Ma come fa il campo di Higgs a fornire la massa alle particelle ? Supponiamo di avere un campo di Higgs e facciamoci correre sopra tre particelle. . . Tanto più grande è l’accoppiamento tra il campo di Higgs e la particella, tanto più grande è la massa ad essa associata ! Raggio di azione Se volete altri esempi http: //hepwww. ph. qmw. ac. uk/epp/higgs. html F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
Esiste Atlas la particella Esperimento Aleph di Higgs ? Questo eccesso di eventi ad alta energia ha fatto pensare ad un primo segnale dell’esistenza della particella di Higgs 7 anni fa. Significanza statistica di “solo” 3. 9 sigma, compatibile con un SM Higgs di circa 114 Ge. V/c 2. Voi siete qui Questo segnale lo ha visto solo uno dei quattro esperimenti ! Quindi bisogna aspettare qualche anno … F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
LHC e il Big Bang …. alla ricerca del bosone di HIGGS per spigare la massa F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
Storia dell’universo F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
Il Big Bang Era Era Era della Ilelettrodebole della Big deiluce protoni Nuclei Bang grande e degli unificazione atomi 1 miliardesimo 1 millesimo 0100 secondi secdidisec 300. 000 10 -35 sec anni Le II Quark Formazione Protoni forze si elettrodeboli ecombinano Neutroni delle L’inflazione L’universo per Galassie formare diventa spaziosisicombinano distinguonoper Protoni temporale trasparente e Neutroni cessa formare 1 Si e sirompe riempie la Grande di luce Miliardo i nuclei di dielio anni Unificazione e si distinguono forza forte ed elettrodebole F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
LHC al CERN di Ginevra CMS Apparato Atlas a LHC ALICE LHC-B Evento simulato di collisione piombo-piombo di collisione protone-protone ATLAS F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
Esperimento ATLAS al CERN 2007 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
Esperimento CMS al CERN 2007 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
Esperimento CMS al CERN 2007 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
…i collisori costano troppo … osserviamo i raggi cosmici !
Laboratori sotterranei Evento raro F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
Laboratori sotterranei del Gran Sasso F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
Neutrini da supernove Osservatorio LVD al Gran Sasso F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
Oscillazione di Neutrini Gallex al Gran. Sasso I neutrini si trasformano durante il lungo viaggio F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
Oscillazione di neutrini u c s up t g gluone g charm top down strange bottom b fotone e-neutrino m-neutrino t-neutrino bosone d ne e elettrone nm m muone nt t tau W Z bosone Matrice di mescolamento dei neutrini Milioni di neutrini al secondo attraverso un granello di sabbia F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
Neutrini dal CERN al Gran Sasso neutrini prodotti con acceleratori Icarus : camera a immagine in Argon liquido Opera : camera a emulsioni fotografiche F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
Progetto Antares e R&D Nemo F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
Ricerca di antimateria : AMS Ieri Domani Italia, Cina, Germania, Finlandia, Francia, Svizzera, Taiwan, USA F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
La gravità u c t g d s b g up down charm top strange bottom gluone fotone ne nm nt W e-neutrino m-neutrino t-neutrino e m t elettrone muone tau bosone Z bosone Mediatori di Forze Leptoni Quarks Costituenti materiali Forze I II III Bosone Famiglie di di Higgs materia ? Gravità il fantasma dell’opera F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
Antenna Gravitazionale a Frascati Per rivelare onde gravitazionali emesse da supernove all’interno della nostra galassia è necessario raffreddare a pochi millikelvin (~ -273 gradi) grandi cilindri metallici F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
Antenne gravitazionali Barre risonanti INFN Auriga a Legnaro Explorer al CERN Nautilus a Frascati F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
Il Modello Standard u c t g d s b g up down charm top strange bottom gluone fotone ne nm nt W e-neutrino m-neutrino t-neutrino e m t elettrone muone tau bosone Z bosone Mediatori di Forze Leptoni Quarks Costituenti materiali Forze I II III Bosone Famiglie di di Higgs materia ? Particelle supersimmetriche ? Gravitone ? F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
… ma ci serve a qualche cosa tutto questo?
Ricadute tecnologiche : Il WWW 1990 : nasce il WWW al CERN La biblioteca mondiale F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
La GRID Potenza di calcolo distribuita Elaborazione Metereologiadi immagini da satellite F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
Ricadute sulla fisica medica : la PET Collaborazioni INFN -Policlinico di Tor Vergata Immagini del cervello F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
Bibliografia Modello Standard QED Richard Feynmann Ed. ADELPHI La Fisica delle Particelle Luciano Maiani Le Scienze Quaderni n° 103 Settembre 1998 Quarks & Leptons: an intrductory Course in Modern Particle Physics F. Halzen A. D. Martin Ed Wiley Cultura Scientifica Trent'anni che sconvolsero la fisica. la storia della teoria dei quanti Gamow George, Zanichelli 1966 Il senso delle cose, Sta scherzando Mr. Feynman! Richard Feynmann, Ed. ADELPHI Le Scienze Edizione italiana dello Scientific American http: www. lescienze. it F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
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