Le emulsioni nucleari nella fisica delle particelle elementari

Le emulsioni nucleari nella fisica delle particelle elementari Giovanni De Lellis Università “Federico II” Napoli

Ulisse e Dante Alighieri La Divina Commedia, Inferno Canto XXVI Considerate la vostra semenza: fatti non foste a viver come bruti, ma per seguir virtute e conoscenza. Li miei compagni fec’io sì aguti, con questa orazion picciola, al cammino, che a pena poscia li avrei ritenuti; e volta nostra poppa nel mattino, dei remi facemmo ali al folle volo, sempre acquistando dal lato mancino.

Ulisse fu infatti Ulisse e le sirene (stamnos a figure attiche rosse) Periodo tardo arcaico, da Vulci, British Museum uomo d’azione animato da “curiositas”. . . con intelligenza e astuzia sperimentale Il cavallo di Troia (pithos), VII secolo a. C Mykonos (Museo Archeologico)

. . . e inoltre La ricerca “fondamentale” apre la strada a future applicazioni Radio, transistor, laser, …. . basati su precedenti scoperte di fisica fondamentale Nascita e sviluppo di nuove tecnologie World Wide Web nato al CERN Ricerca Tecnologia Formazione di competenze e professionalità Partecipazione alla ricerca nell’Università e in Laboratori : tesi di laurea e dottorato, borse di studio, …

Cosa sono le particelle Costituenti fondamentali della materia Particelle Elementari Origine del loro legame (o repulsione) Interazioni Fondamentali

Da Democrito e Epicuro ai versi di Lucrezio (De rerum natura, Libro I versi 483 e 548 ) I corpi a loro volta si suddividono in elementi primordiali e in oggetti formati dalla coesione delle particelle elementari. Invece gli elementi primordiali non vi è forza capace di scinderli; prevalgono sempre per la solidità del loro corpo. …… Le particelle elementari sono dunque di solida semplicità, altrimenti, conservandosi attraverso le epoche, non potrebbero già da tempo infinito rinnovare le cose. Corpora sunt porro partim primordia rerum, partim concilio quae constant principiorum. Sed quae sunt rerum primordia, nulla potest vis stinguere; nam solido vincunt ea corpore demum. …. . . Sunt igitur solida primordia simplicitate nec ratione queunt alia servata per aevum ex infinito iam tempore res reparare.

Tito Lucrezio (~ 97 -55 a. C) “Nasce il poeta Tito Lucrezio; questi, divenuto pazzo per un filtro d’amore, dopo aver scritto nei momenti di lucidità diversi libri in seguito pubblicati da Cicerone, si suicidò all’età di 44 anni. ” Annotazione di S. Gerolamo (IV secolo d. C) al Chronicon di Eusebio di Cesarea De Rerum Natura era poco noto nel Medioevo. Lucrezio era considerato un lunatico ed ateo. Il testo venne diffuso dopo la scoperta nel 1417 di un antico manoscritto da parte di Poggio Bracciolini, umanista e segretario del Papa. Lucrezio, De Rerum Natura Copiato da Girolamo di Matteo de Tauris per Sisto V, 1483 Roma, Biblioteca Vaticana

La massa è una forma di energia E nel 1905: Se lo avessimo saputo prima , avremmo posto c=1 e scritto E=m energia Esempio : massa g e- (particella) e+ (antiparticella) Le particelle non sono più solide e immutabili ma le radici filosofiche (Democrito, Epicuro e Lucrezio) restano ben presenti

100 (scala logaritmica) Numero di costituenti elementari Storia dei costituenti fondamentali della materia 10 1 Elementi chimici Particelle subatomiche Zolfo Sale Mercurio Terra Aria Fuoco Acqua Quarks Leptoni Elettrone Protone 0 1000 1800 1950 Tavola periodica degli elementi “Simmetrie” Anni 2000 ? Democrito : la varietà e il divenire di quanto osserviamo in natura proviene dalle tante diverse combinazioni di “costituenti elementari” ( 60 miliardi di individui viventi : tutti con un diverso DNA)

Regolarità ? Le particelle “elementari” di oggi Tavola periodica degli elementi chimici Fisica atomica protone, neutrone, elettrone per “costruire” tutti gli elementi chimici ?

Particelle Elementari Le particelle “elementari” di oggi non lo saranno forse più domani L’atomo non è più considerato come “elementare” : è formato da elettroni e da un nucleo L’essere considerata particella “elementare” dipende dal momento dello sviluppo scientifico

Atomo Dagli atomi ai quarks ~ 1 Å = 10 -8 cm elettro-magnetica E ~ 1 e. V Nucleo 10 -13 ~ 1 F = cm “forte” E ~ 1 Me. V Nucleoni (p o n) 10 -13 ~ 1 F = cm “forte” E ~ 100 Me. V Dimensioni Interazione Energia di legame Quarks u, d, . . . (limite delle nostre attuali conoscenze) Sono veramente “elementari” ?

Lo scandalo delle cariche elettriche frazionarie: Qu = +2/3 e Qd = -1/3 u u gluone quark d u d protone Q=+ 2 2 1 + =1 3 3 3 d neutrone Q=- 1 1 2 - + =0 3 3 3 Quarks con “carica di colore” Forze “di colore” trasmesse dai “gluoni” (mediatori delle “Interazioni Forti” )

Ogni interazione ha un mediatore (i mediatori sono particelle “vettori di forza”) Q q F=q E scambio di mediatore particella Interazione “a distanza” Dinamica Quantistica Relativistica particella Dinamica Classica

Le tre interazioni “fondamentali” Intensità Carica relativa Forte Elettro-Magnetica Debole nteone e c Re icazi f uni Gravitazionale* Mediatori Agisce su : La vediamo in : quark e- n 1 colore Gluoni (mg = 0) ~10 -3 elettrica Fotone (mg = 0) Bosoni W±, Zo (m ~ 100 Ge. V) radioattivi Gravitone ? ~10 -5 ~10 -38 massa Nucleo atomico Atomo, molecole, DNA, . . . Decadimenti b Corpi celesti Per scambio di mediatore 4 Dinamica classica : solo repulsione 4 Dinamica Quantistica : repulsione o attrazione * Totalmente trascurabile per particelle elementari Nei corpi materiali appare molto intensa solo perché le cariche (masse) sono tutte positive

Interazione Elettro-Magnetica coesione atomica e molecolare Gli atomi sono elettricamente neutri, ma si ha il legame molecolare d ~ 1 Å = 10 -8 cm Elegame ~ 1 e. V E’ spiegato dalla meccanica quantistica Prevalgono le forze attrattive Interazione Forte coesione nucleare Forze elettriche repulsive d ~ 1 F = 10 -13 cm Elegame ~ 1 Me. V Il colore è complessivamente neutro, ma si ha la fortissima coesione nucleare Le interazioni “forti” (carica di colore) dominano nel nucleo atomico

Interazione “Debole” Becquerel (1896) Lastre fotografiche riposte al buio vennero trovate impressionate ! Decadimento b nucleare elementi chimici non immutabili Creazione spontanea di radiazione Una croce al merito ha assorbito le radiazioni : la sua “ombra” Ipotesi del neutrino (Pauli 1930) n p + e- + n p n + e+ + n Teoria di Fermi (1933) ancora senza mediatore p n ? en

L’Interazione Debole è diventata “Elettro-Debole” Decadimento b oggi: scambio di W± neutrone protone Descritto sinteticamente e quantitativamente da un “Diagramma di Feynman” Ma le proprietà del neutrino restano un mistero, a cominciare dalla sua massa

L’unificazione Elettro-Debole Interazioni elettromagnetiche e deboli : • Stessa “costante di accoppiamento” a = e 2 /4 p c = 1/137 • Fondamentalmente non sono diverse (lo è invece l’interazione gravitazionale : costante G ) Ma viene scambiato un diverso mediatore e. m : fotone g deboli: W , Zo Perché interazioni “deboli” ? • W o Zo : massa (energia a riposo) estremamente grande • piccolissima probabilità di scambio

Tutto in termini di particelle (anche i mediatori delle interazioni) Costituenti della materia Mediatori delle interazioni quarks: u, d, . . . leptoni: e- , . . . g, W± gluoni ( spin ½ “fermioni”) ( spin 1 “bosoni”) Con i quarks si costruiscono gli “adroni” “barioni” qqq : spin ½, . . . “mesoni” qq : spin 0, 1, . . . protone, neutrone, . . . pioni, . . . Protoni e neutroni formano i “nuclei atomici” Nuclei atomici ed elettroni formano gli “atomi” ……….

Interrogativi Esiste il “bosone di Higgs” ? na Un necessario “pezzo mancante” nella attuale teoria Il neutrino ha massa ? “Grande Unificazione” elettro-debole-forte ? Proseguire sulla strada iniziata da Newton con la Gravitazione Universale Super-simmetria ? Un legame tra particelle di materia (quarks e leptoni) e particelle vettori di forza (mediatori) “Onde” gravitazionali ? Verifica predizione dalla relatività generale Grande Unificazione Intensità Nuova visione della fisica delle particelle Implicazioni per astrofisica e cosmologia nb for te debole gnetica elettroma Energia in Ge. V

Fare un esperimento è “osservare” sorgente particelle (luce) bersaglio (da osservare e studiare) “rivelatore” (occhio)

Un classico intramontabile: l’esperimento di Rutherford Foglio d’oro Sorgente Particelle a Collimatore Schermo scintillante (rivelatore) Verifica di ipotesi alternative sulla struttura interna degli atomi Atomi “amorfi” piccoli angoli di diffusione Atomi con struttura interna collisioni dure con nuclei angoli di diffusione inaspettatamente grandi !

L’esperimento di Rutherford come inizio di una metodologia a E ~ 1 Me. V L’osservazione di diffusioni fornisce informazioni sulla struttura interna di oggetti sconosciuti (una radiografia evidenzia strutture interne attraverso una misura di assorbimento : meno sensibile, quindi forti dosi di radiazione) Metodologia “alla Rutherford” anche per scoperta dei quarks all’interno di protone e neutrone e. E ~ 10 Ge. V Per indagare oltre servono altissime energie Perché ? Come fare ?

Fisica classica Immagine visibile se l << d d immagine Lunghezza d’onda (l) e potere risolutivo ? d l 1/E Fisica quantistico-ondulatoria Particelle rappresentate da un’onda Studio di particelle subnucleari l << d ~ 10 -13 cm Sorgenti di particelle ad altissima energia Acceleratori di particelle l d

Acceleratore circolare di particelle Deflessione (campi magnetici) magneti + . F. R i p Cam ratori e accel Mr. Proton Accelerazione (campi elettrici)

I grandi acceleratori di particelle nel Laboratorio Europeo CERN (Ginevra) SPS, LEP, … LHC Monte Bianco Lago di Ginevra ~ 8 km CERN

Esperimenti “a bersaglio fisso” Esperimenti “con collisionatori” Fascio di particelle su un bersaglio Collisioni frontali tra due fasci di particelle Bersaglio fisso e collisionatori Densità dei corpi solidi alte probabilità di interazione Adatti per ricerca di eventi rari fascio bersaglio Fascio (450 Ge. V) rivelatore Bersaglio (a riposo) Energia di collisione 29 Ge. V Energie (di collisione) molto elevate Ma i fasci hanno bassa densità fascio rivelatore Fascio (450 Ge. V) Energia di collisione 900 Ge. V

Collisionatori elettrone-positrone Punti di collisione LEP al CERN 100 + 100 Ge. V Un rivelatore in ciascun punto di collisione (materia) (antimateria)

Ma vi è anche la frontiera degli eventi rari (per esempio la Fisica del Neutrino) Frontiera degli eventi rari Frontiera delle alte energie Alte energie per indagare la struttura interna delle particelle o nuovi fenomeni Collisionatori a energia sempre più alta Complesse e grandi installazioni Anomalie rispetto a quanto “crediamo di sapere” possono rivoluzionare la conoscenza L’ago nel pagliaio, con tecnologie moderne e raffinatissime Fasci di alta intensità Frontiera della pazienza e dell’astuzia sperimentale

CHORUS una “macchina fotografica” per micro-immagini di interazioni di neutrini prodotti da acceleratori! Rivelatori “elettronici” localizzare tracce nelle Calorimetro emulsioni identificare le particelle misurarne l’energia Fibre ottiche scintillanti e altre tecniche h Spectrometro per muoni Spettrometro per adroni n Piano di veto Bersaglio attivo per “vedere” interazioni di neutrini in 3 D 800 kg di emulsioni fotografiche ~ 0, 1 mm 800 kg

EMULSIONI FOTOGRAFICHE “NUCLEARI” rivelatori di particelle con precisione micrometrica Risposta non in tempo reale: resta “scritta dentro” Viene letta mediante una nuova tecnologia: microscopi automatici Rispetto alle normali emulsioni fotografiche: • Sensibilità rivelazione di tracce di singole particelle Nelle fotografie l’immagine è data da un gran numero di “particelle di luce”, i “fotoni” • Spessore ricostruzione tridimensionale delle tracce

EMULSIONI: FISICA E ALTRE APPLICAZIONI p Di grande attualità in Fisica delle Particelle 50 anni dopo la scoperta del “pione” nelle prime “emulsioni nucleari” esposte a raggi cosmici Trasferimento tecnologico per analisi immagini in: Terapia tumorale, Biofisica, etc… cromosomi

LE EMULSIONI IN UN ESPERIMENTO DI FISICA “foglio” di emulsioni “bersaglio attivo” (costituito da fogli di emulsioni) traccia ricostruita a partire da immagini acquisite su diversi livelli supporto plastico emulsione (spessore 0, 05 -0, 5 mm) particella entrante ( invisibile se è un neutrino ) fascio di particelle (perpendicolare alla superficie delle emulsioni)

grano “GRANI” IN UNA “VISTA” 0, 003 mm ~ 50 ingrandimenti profondità di campo 0, 003 mm 0. 15 mm . Le tracce delle particelle che interessano sono perpendicolari al foglio: dopo lo sviluppo sono viste come “grani”di argento metallico Analisi delle immagini Collegare grani tracce Collegare tracce eventi Risultati di Fisica

Materia ordinaria : p, n , e- Raggi cosmici ( protoni, … ) La pioggia cosmica po Particelle elementari di altissima energia sono generate in lontane galassie, con meccanismi praticamente sconosciuti e Interagendo nell’atmosfera esse producono “sciami” di particelle n I neutrini attraversano la terra ! m n p

Possiamo “vedere” la pioggia cosmica (mediante “rivelatori di particelle”) Tracce di particelle visualizzate da una “camera a scintilla”

Studio dei raggi cosmici • Utilizzate emulsioni nucleari per la prima volta su vasta scala in Giappone nel dopo-guerra sulle “Alpi” giapponesi • Alternanza di materiale passivo (economico) e emulsioni nucleari (analisi visiva): assai faticoso ma molto economico (pochi fondi per la ricerca nell’immediato dopo raggi -guerra) cosmici • Negli anni ‘ 70 iniziato lo sviluppo di sistemi di scansione automatica • Primo prototipo sviluppato negli anni ‘ 80

Particelle a vita breve • L’equivalenza tra massa e energia fa sì che la massa possa essere convertita in altre masse (più piccole) ed energia residua • La disintegrazione (decadimento) di particelle è la “conversione” in particelle più leggere • Quanto più la particella è pesante, tanti più tipi di conversioni sono possibili (più combinazioni di stati finali permessi) e quindi la particella si disintegra più velocemente • Di qui le particelle a vita breve, ovvero particelle pesanti • La loro scoperta è possibile solo raggiungendo alte energie (masse) Esempio: se la particella più leggera ha massa 1 allora 3 1+1+1 2 1+1 1 ? 3 2+1 2 decadimenti 1 decadimento nessuno (stabile)

Prima particella con “charm” (X) Due particelle con “charm” sono create e si disintegrano di lì a poco (10 -12 s) Prof. Niu e coll. , Nagoya University, Giappone 1971.

Prima particella con “beauty” Due particelle con “beauty” sono create e si disintegrano di lì a poco (10 -12 s) Creando particelle con “charm” che a loro volta decadono Esperimento WA 75, CERN Ginevra, 1980

ANALISI AUTOMATICA DI IMMAGINI Indispensabile per conseguire risultati in un tempo accettabile Tecnologie avanzate Meccanica di precisione Ottica Elettronica Informatica

SISTEMA AUTOMATICO PER ANALISI DI IMMAGINI 3 -DIMENSIONALI IN EMULSIONI (schema generale) MONITOR TELECAMERA A CCD 1024 x 1024 pixels, 30 Hz 512 x 512 pixels, 60 Hz 512 x 512 pixels, 120 Hz ACQUISIZIONE DATI E CALCOLO CONTROLLO MICROSCOPIO ILLUMINAZIONE E MOVIMENTO PC RETE INFORMATICA ESTERNA VISUALIZZAZIONE DELLE IMMAGINI E GRAFICA

MICROSCOPIO AUTOMATICO E TELECAMERA Telecamera CCD Sistema di misura della posizione ( encoder ) precisione ~ 0, 001 mm Ottica Emulsione Meccanica di precisione controllata automaticamente

RICERCA AUTOMATICA DI TRACCE ED EVENTI VISTE A DIVERSA PROFONDITA’ NELL’EMULSIONE CCD vista ~ 0, 15 x 0, 15 mm 2 10 - 50 viste profondità di fuoco ~ 0, 003 mm EMULSIONE BANCO OTTICO E MICROSCOPIO TRACCE ( grani allineati ) RICERCA DI GRANI ALLINEATI OBIETTIVO 50 X

VERSO IL VERTICE DELL’INTERAZIONE 0. 01 mm 0. 15 mm PIANO DEL VERTICE DELL’INTERAZIONE

RICOSTRUZIONE TRIDIMENSIONALE DI TUTTE LE TRACCE EVENTO RICOSTRUITO IN 3 DIMENSIONI SUPPORTO PLASTICO mm 3 0, 15 x 0, 8 (non in scala) EMULSIONE

La storia dell’universo in una pagina noi siamo qui oggi ! 5 x 109 anni 1013 secondi 102 s Un momento importante 10 -10 s Disaccoppiamento radiazione-materia 10 -34 s (bassa densità, bassa probabilità di interazioni) L’universo diventa trasparente ! 10 -43 s L’inizio rapidissimo