La Seconda Rivoluzione Scientifica · o 1911: modello atomico planetario dell’atomo (Rutherford) 3. ... • Il Modello Standard suppone l’esistenza di un ampo detto di Higgs che

Sguardi sulla fisica contemporanea:

Dalla seconda rivoluzione scientifica alla scoperta del

Bosone di HiggsMario De Vincenzi

Dip. Matematica e Fisica

Università Roma Tre

Le rivoluzioni scientifiche

• Copernico (1543)

• Keplero (1609)

• Galilei (1630-40)

• Newton (1687)

• Einstein (1905)

• Plank (1900)

Prima Seconda

8 feb 2014 Sguardi sulla fisica contemporanea 2

I SUCCESSI della FISICA dell’800e 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”.

Sguardi sulla fisica contemporanea8 feb 2014 4

Equazioni di Maxwell


Spiegano tutti i fenomeni elettrici, tutti i fenomeni magnetici e la loro interazione, compresa l’emissione delle onde elettromagnetiche

Alla fine dell’800 ci si domanda:LA FISICA E’ FINITA?

Nel 1871, in occasione dell’inaugurazione del Cavendish Laboratory di Cambridge, J.C.Maxwellaffermava:

“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.”


Equazioni di Maxwell


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 ….

I primi dubbi

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!)


I protagonisti della Seconda Rivoluzione Scientifica

( i principali)• Albert Einstein: rivoluziona il concetto di spazio e tempo

• Max Plank, Niels Bohr e molti altririvoluzionano il concetto di energia e…


La RelativitàEinstein afferma:«Le leggi della fisica sono le stesse in ogni sistema diriferimento inerziale»e«La velocità della luce è la stessa in qualsiasi sistema diriferimento venga misurata»

La relatività risolve le inconsistenze dell’elettro-magnetismo, e ha altre importantissime conseguenzesulla concezione dello spazio e del tempo che al sensocomune spesso appaiono come paradossi.



Il Tempo relativistico

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Relatività e tempo

Molte sono le conseguenze della relativitàche mettono alla prova il senso comune.

In particolare, il tempo in relatività ha unsignificato completamente differente daquello della fisica classica.Sa

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La Simultaneità

Ad esempio la relatività impone una revisione criticadel concetto di simultaneità

• Per l’osservatore sul treno gli eventi sono«simultanei»

• Per l’osservatore sulla banchina il segnale luminosoarriva prima in A e poi in B!

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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.

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Il Corpo Nero


Frequenza

Legge classicaCatastrofe Ultravioletta !?

Legge di Plank.Spiega correttamente i dati

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Planck fa l’ipotesi che l’energia sia QUANTIZZATA

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

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


L’esperimento delle due fenditure contiene tutti i misteri della meccanica quantistica


Onda incidente

FenditureDiffrazione

Interferenza

L’esperimento della doppia fenditura




Elettroni o Atomi

Pallini

Onde


Pallini Onde Elettroni o Atomi

Corpuscoli (unità) Ampiezza Corpuscoli (unità)

Misura della probabilitàdi arrivo

Misura della intensitàdell’onda

Misura della probabilità di arrivo

No-Interferenza Interferenza Interferenza


L’esperimento della doppia fenditura

Quindi la proposizione:«L’elettrone passa dalla fenditura 1 oppure passa

dalla fenditura 2»è FALSA!

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 2.7kLa teoria dell’universo inflazionarioMateria oscuraEnergia Oscura

Il Modello Standard


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PROTONE

NEUTRONE

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.


25

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

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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

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»


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 spazio-tempo (Campo di Higgs) che interagendo con le particelle (W, Z, e,…) genera la loro massa .


La Rottura Spontanea della simmetria


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)



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



L’Acceleratore LHC

LHC (Large HadronCollider) 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

Il Rivelatore ATLAS


Il Rivelatore (ATLAS)




Produzione e decadimento di un Higgs

«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 GBytes) di dati prodotti da LHC per anno.

Centro di Calcolo del CERN


Simulazione di un evento con HIGGS


Il segnale dell’HIGGS


Il Bosone di Higgs


Esistenza e proprietà del Bosone di Higgssono contenuti nella «LAGRANGIANA» che descrive il Modello Standard delleinterazioni-elettro-deboli-forti


Per capire il meccanismo di Higgs, immagina una stanza piena di fisici che parlano. Questo rappresenta il campo di Higgs


Un noto scienziato entra nella stanza e attrae un gruppo di ammiratori.


… la resistenza al movimento del fisico famoso rappresenta la massa della particella


Se un «gossip» attraversa la sala . . .


… crea lo stesso assembramento, ma solo tra gli scienziati. Questo assembramento è la particella di HIGGS.

Un’altra spiegazione euristica


Su

Un vassoio rappresenta l’universo primordiale

I grani dello zucchero rappresentano il bosone di HIGGS

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

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

• ….


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La Seconda Rivoluzione Scientifica · o 1911: modello atomico planetario dell’atomo (Rutherford) 3. ... • Il Modello Standard suppone l’esistenza di un ampo detto di Higgs che