Sguardi sulla fisica contemporanea Dalla seconda rivoluzione scientifica

Sguardi sulla fisica contemporanea: Dalla seconda rivoluzione scientifica alla scoperta del Bosone di Higgs Mario De Vincenzi Dip. Matematica e Fisica Università Roma Tre

Le rivoluzioni scientifiche Prima • • Seconda Copernico (1543) Keplero (1609) Galilei (1630 -40) Newton (1687) 8 feb 2014 • Einstein (1905) • Plank (1900) Sguardi sulla fisica contemporanea 2

I SUCCESSI della FISICA dell’ 800 e i primi elementi di crisi della visione meccanicistica o 1810 -1820: la luce descritta quantitativamente come fenomeno ondulatorio (Young e Fresnel) o 1820 -1830: viene fondato l’elettromagnetismo (esperimento di Ørsted - Experimenta circa effectum conflictus electrici in acum magneticum-, ricerche di Ampere, Arago e di Faraday. o Anni Venti: Sono formalizzate le leggi che descrivono le relazioni fra calore e lavoro; nasce la termodinamica (Carnot e Klapeyron). o Anni Quaranta: viene enunciato il principio di conservazione dell’energia (Mayer, Joule, Helmotz); valido per qualunque sistema fisico isolato. o Anni settanta: fenomeni elettrici e magnetici vengono inquadrati nelle equazioni di Maxwell e nel campo; la luce, come radiazione elettromagnetica, inglobata nell’elettromagnetismo. o 1887: L’esperimento di Michelson Morley nega l’esistenza dell’etere luminifero o 1895: Thomson e Millikan confermano sperimentalmente la natura corpuscolare dell’elettrone o 1896: vengono scoperti i raggi X (Rötgen) e le emissioni radioattive (coniugi Curie). o 1911: modello atomico planetario dell’atomo (Rutherford) 3

LA FISICA dell’ 800: Concezione deterministica della realtà Pier Simon de Laplace (1729 -1827) “Lo stato attuale del sistema della natura consegue evidentemente da quello che era all’istante precedente e se noi immaginassimo una intelligenza che ad un istante dato comprendesse tutte le relazioni tra le entità di questo universo, essa potrebbe conoscere le rispettive posizioni, i moti e le disposizioni generali di tutte quelle entità di qualunque istante del passato o del futuro”. 8 feb 2014 Sguardi sulla fisica contemporanea 4

Equazioni di Maxwell Spiegano tutti i fenomeni elettrici, tutti i fenomeni magnetici e la loro interazione, compresa l’emissione delle onde elettromagnetiche 8 feb 2014 Sguardi sulla fisica contemporanea 5

Alla fine dell’ 800 ci si domanda: LA FISICA E’ FINITA? Nel 1871, in occasione dell’inaugurazione del Cavendish Laboratory di Cambridge, J. C. Maxwell affermava: “E’ opinione che entro pochi anni tutte le grandi costanti fisiche saranno state valutate e la sola cosa che resterà da fare agli scienziati sarà quella di raffinare la loro misura di un altro decimale. ” 8 feb 2014 Sguardi sulla fisica contemporanea 6

Equazioni di Maxwell I primi dubbi Spiegano con successo tutti i fenomeni elettrici, tutti i fenomeni magnetici e la loro interazione, compresa l’emissione delle onde elettromagnetiche, ma il SR non è specificato …. 8 feb 2014 Sguardi sulla fisica contemporanea 7

Inconsistenze nell’elettromagnetismo 1. Le eq. di Maxwell contengono «c» . «non invarianti per trasformazioni galileiane» 2. Quale mezzo viene eccitato dalle onde elettromagnetiche? L’etere (forse) (L’esperimento di Michelson-Morley mostra che la velocità della luce non dipende dal sistema di riferimento. L’etere non esiste!) 8 feb 2014 Sguardi sulla fisica contemporanea 8

I protagonisti della Seconda Rivoluzione Scientifica ( i principali) • Albert Einstein: rivoluziona il concetto di spazio e tempo • Max Plank, Niels Bohr e molti altri rivoluzionano il concetto di energia e… 8 feb 2014 Sguardi sulla fisica contemporanea 9

La Relatività Einstein afferma: «Le leggi della fisica sono le stesse in ogni sistema di riferimento inerziale» e «La velocità della luce è la stessa in qualsiasi sistema di riferimento venga misurata» La relatività risolve le inconsistenze dell’elettromagnetismo, e ha altre importantissime conseguenze sulla concezione dello spazio e del tempo che al senso comune spesso appaiono come paradossi. 8 feb 2014 Sguardi sulla fisica contemporanea 10

Salvator Dalì La Persistenza della memoria Il Tempo relativistico 8 feb 2014 Sguardi sulla fisica contemporanea 11

Salvator Dalì La Persistenza della memoria Relatività e tempo Molte sono le conseguenze della relatività che mettono alla prova il senso comune. In particolare, il tempo in relatività ha un significato completamente differente da quello della fisica classica. 8 feb 2014 Sguardi sulla fisica contemporanea 12

Salvator Dalì La Persistenza della memoria La Simultaneità Ad esempio la relatività impone una revisione critica del concetto di simultaneità • Per l’osservatore sul treno gli eventi sono «simultanei» • Per l’osservatore sulla banchina il segnale luminoso arriva prima in A e poi in B! 8 feb 2014 Sguardi sulla fisica contemporanea 13

Salvator Dalì La Persistenza della memoria Il Tempo relativistico La teoria della relatività ci dice che dobbiamo rinunciare al concetto di tempo assoluto tipico della fisica ottocentesca. Ogni corpo ha un suo tempo proprio che scorre in modo differente da quello degli altri corpi. Quindi «il tempo» non ha quel valore assoluto che il senso comune generalmente le assegna 8 feb 2014 Sguardi sulla fisica contemporanea 14

Il Corpo Nero a isti c Qu ant Legge di Plank. Spiega correttamente i dati Fis ica Fisica cla ssica Intensità della Radiazione T Legge classica Catastrofe Ultravioletta !? Frequenza Planck fa l’ipotesi che l’energia sia QUANTIZZATA 8 feb 2014 Sguardi sulla fisica contemporanea 15

Spettri di emissione Gli spettri di emissione luminosa degli atomi sono QUANTIZZATI La meccanica classica non è in grado di spiegare gli spettri di emissione degli atomi 8 feb 2014 Sguardi sulla fisica contemporanea 16

I paradossi della meccanica quantistica Da R. Feynman «La legge Fisica» Boringhieri 1965 … diverse persone, certamente più di dodici, capirono in un modo o nell’altro la teoria della relatività. Invece credo di poter dire con sicurezza che nessuno ancora comprende la meccanica quantistica. […] Vi dirò come si comporta la natura. Se ammetterete semplicemente che essa si comporta in questo modo, la troverete una cosa incantevole e meravigliosa. Se ci riuscite, cercatevi di non chiedervi: «Ma come può essere così? » perché entrereste in un vicolo cieco da cui ancora nessuno è uscito. Nessuno sa come possa essere così. 8 feb 2014 Sguardi sulla fisica contemporanea 17

I paradossi della meccanica quantistica L’esperimento delle due fenditure contiene tutti i misteri della meccanica quantistica Onda incidente Fenditure Diffrazione Interferenza 8 feb 2014 Sguardi sulla fisica contemporanea 18

L’esperimento della doppia fenditura 8 feb 2014 Sguardi sulla fisica contemporanea 19

I paradossi della meccanica quantistica Onde Elettroni o Atomi Pallini 8 feb 2014 Sguardi sulla fisica contemporanea 20

I paradossi della meccanica quantistica L’esperimento della doppia fenditura Pallini Onde Elettroni o Atomi Corpuscoli (unità) Ampiezza Corpuscoli (unità) Misura della probabilità di arrivo Misura della intensità Misura della probabilità di dell’onda arrivo No-Interferenza Quindi la proposizione: «L’elettrone passa dalla fenditura 1 oppure passa dalla fenditura 2» è FALSA! 8 feb 2014 Sguardi sulla fisica contemporanea 21

La Fisica del secondo novecento (la prossima terza rivoluzione ? ) Fisica Subnucleare: Formalizzazione della elettrodinamica quantistica Teoria dei campi per le particelle elementari. Il modello standard della fisica delle p. e. La Cosmologia: Radiazione di fondo a 2. 7 k La teoria dell’universo inflazionario Materia oscura Energia Oscura 8 feb 2014 Sguardi sulla fisica contemporanea 22

Il Modello Standard NEUTRONE u d d u 8 feb 2014 PROTONE Sguardi sulla fisica contemporanea 23

Il «CAMPO» in fisica Un porzione di spazio in cui è definita una grandezza fisica che dipende unicamente dal punto (x, y, z) e dal tempo. 8 feb 2014 Sguardi sulla fisica contemporanea 24

La Teoria Quantistica dei Campi (Quantum Field Theory) • QFT tratta le particelle come stati eccitati di un campo sottostante. • La QFT descrive la creazione e la distruzione di particelle (reazioni nucleari) 8 feb 2014 Sguardi sulla fisica contemporanea 25

Il Bosone di Higgs • Il Modello Standard suppone l’esistenza di un campo detto di Higgs che permea lo spazio. • Interagendo con questo campo le particelle acquisiscono massa. • Le particelle che interagiscono fortemente con il campo di Higgs sono “pesanti” ; le particelle che interagiscono debolmente sono “leggere” • il campo di Higgs ha almeno una particella associata alla sua esistenza (il bosone di Higgs) 8 feb 2014 Sguardi sulla fisica contemporanea 26

Perché il Bosone di Higgs è importante • La Massa delle particelle determina l’evoluzione dell’universo • Criticità del valore della massa dell’elettrone • Perché tutte le particelle (elettroni, quark, neutrini, …) hanno massa tranne il fotone? • Massa dell’Elettrone messa «a mano» nelle eq. • Forza nucleare debole (decadimenti radioattivi) • Interazioni deboli e particelle, massive, «W» e «Z» 8 feb 2014 Sguardi sulla fisica contemporanea 27

Perché il Bosone di Higgs è importante (2) • Le masse di W e Z non possono essere inserite a mano nella teoria! • 1960 (circa) Higgs inventa il suo meccanismo: Esiste un «Campo» che permea tutto lo spaziotempo (Campo di Higgs) che interagendo con le particelle (W, Z, e, …) genera la loro massa. 8 feb 2014 Sguardi sulla fisica contemporanea 28

La Rottura Spontanea della simmetria 8 feb 2014 Sguardi sulla fisica contemporanea 29

Un’analogia tra Campo di Higgs e l’Aria Il campo di Higgs è come l’aria che ci circonda: non viene percepita ma permea tutto l’ambiente. Ci accorgiamo dell’aria quando la facciamo vibrare La vibrazione del campo di Higgs si concretizza nel bosone di Higgs. Per generare il bosone di Higgs c’è bisogno di un potente acceleratore (LHC) 8 feb 2014 Sguardi sulla fisica contemporanea 30

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Alla caccia dell’HIGGS Cosa serve: 1. Un acceleratore di energia sufficiente 2. Un rivelatore di particelle con la risoluzione adeguata 3. Una potenza di calcolo in grado di esaminare milioni di eventi in un tempo ragionevole 8 feb 2014 Sguardi sulla fisica contemporanea 32

L’Acceleratore LHC (Large Hadron Collider) è il più grande e potente acceleratore (collisionatore) del mondo. LHC consiste in un anello di 27 km di magneti superconduttori a ‑ 271. 3°C 8 feb 2014 Sguardi sulla fisica contemporanea 33

Il Rivelatore ATLAS 8 feb 2014 Sguardi sulla fisica contemporanea 34

Il Rivelatore (ATLAS) 8 feb 2014 Sguardi sulla fisica contemporanea 35

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Produzione e decadimento di un Higgs 8 feb 2014 Sguardi sulla fisica contemporanea 38

«GRID» la griglia di calcolo La GRID del CERN (Worldwide LHC Computing Grid - WLCG) è una collaborazione globale di 150 centri di calcolo in 40 paesi. La missione di WLCG è di provvedere alle risorse di calcolo per immagazzinare, distribuire e analizzare ~15 Petabytes (1500 000 G Bytes) di dati prodotti da LHC per anno. 8 feb 2014 Sguardi sulla fisica contemporanea 39

Centro di Calcolo del CERN 8 feb 2014 Sguardi sulla fisica contemporanea 40

Simulazione di un evento con HIGGS 8 feb 2014 Sguardi sulla fisica contemporanea 41

Il segnale dell’HIGGS 8 feb 2014 Sguardi sulla fisica contemporanea 42

Il Bosone di Higgs Esistenza e proprietà del Bosone di Higgs sono contenuti nella «LAGRANGIANA» che descrive il Modello Standard delle interazioni -elettro-deboli -forti 8 feb 2014 Sguardi sulla fisica contemporanea 43

Per capire il meccanismo di Higgs, immagina una stanza piena di fisici che parlano. Questo rappresenta il campo di Higgs 8 feb 2014 Sguardi sulla fisica contemporanea 44

Un noto scienziato entra nella stanza e attrae un gruppo di ammiratori. 8 feb 2014 Sguardi sulla fisica contemporanea 45

… la resistenza al movimento del fisico famoso rappresenta la massa della particella 8 feb 2014 Sguardi sulla fisica contemporanea 46

Se un «gossip» attraversa la sala. . . 8 feb 2014 Sguardi sulla fisica contemporanea 47

… crea lo stesso assembramento, ma solo tra gli scienziati. Questo assembramento è la particella di HIGGS. 8 feb 2014 Sguardi sulla fisica contemporanea 48

Un’altra spiegazione euristica Un vassoio rappresenta l’universo primordiale Su Alcune palline sono più infossate altre camminano in superficie Dopo pochi istanti dal Big -Bang il campo di Higgs (lo zucchero) interagisce con le particelle I grani dello zucchero rappresentano il bosone di HIGGS 8 feb 2014 Sguardi sulla fisica contemporanea 49

Ma la storia non è finita… • • La particella scoperta è veramente l’Higgs? Ne esistono altri? Come scoprire la Materia Oscura? Come si spiega l’energia oscura? Esiste la Supersimmetria? Quantizzazione della gravitazione …. 8 feb 2014 Sguardi sulla fisica contemporanea 50