Laboratorio di Fisica Nuclearea.a. 2007/2008

Il CERN e gli ACCELERATORI di PARTICELLE

Esposito Marianna e Fava Valentina

Contesto: V liceo scientifico tradizionale o PNI (in vista di una visita al

CERN) Durata della lezione: 2h

Prerequisiti:

Struttura dell’atomo e concetti di base della chimica Moto di cariche in un campo elettrico e magnetico Superconduzione Equivalenza massa-energia Forze fondamentali Elementi di Meccanica quantistica Decadimento radioattivo Leggi di conservazione dell’energia e della quantità di moto

Obiettivi:

Descrivere il principio di funzionamento di un acceleratore di particelle

Spiegare il ruolo degli acceleratori per lo studio, tramite fenomeni di collisione ad energie via via crescenti, della struttura nucleare e subnucleare della materia e della produzione di nuove particelle

Riconoscere la differenza tra particelle elementari e non elementari, tra particelle di materia e particelle mediatrici delle interazioni fondamentali.

Che cos’è il CERN?

Il CERN (Organizzazione Europea per la Ricerca Nucleare) è il più grande laboratorio di Fisica delle particelle al mondo e si trova nei pressi di Ginevra.

Che cosa si studia al CERN?

In questo laboratorio gli scienziati di tutto il mondo collaborano per studiare i costituenti fondamentali della materia e le forze che li tengono insieme, utilizzando gli acceleratori di particelle, macchine che accelerano i fasci di particelle fino a farli collidere l’uno contro l’altro oppure contro un bersaglio fisso.

Date importanti: 1954 fondazione del CERN 1957 il primo acceleratore SINCROCICLOTRONE (SC) 1959 il SINCROTONE a PROTONI (PS) 1971 il primo COLLISORE di PROTONI, l’ISR. 1976 il SUPER SINCROTONE a PROTONI (SPS). 1983 scoperta delle particelle W e Z. Premio Nobel a

Rubbia e Van der Meer (nel 1984). 1989 il grande COLLISORE DI ELETTRONI E

POSITRONI, il LEP. 1999 inizia la costruzione del GRANDE COLLISORE DI

ADRONI l’ LHC. 2008 entrata in funzione dell’LHC.

Schema degli acceleratori di particelle al CERN

Gli acceleratori di particelleNel 1932 Lawrence ricevette il Nobel per l’invenzione

del primo CICLOTRONE che permetteva di accelerare protoni mantenuti su un’orbita a spirale da un campo magnetico perpendicolare all’orbita. Alla fine del ciclo di accelerazione, proseguivano in linea retta.

Nei SINCROTRONI le particelle percorrono un’orbita circolare perché il campo magnetico dei molti magneti che piegano la traiettoria delle particelle aumenta in sincronismo con l’aumento dell’energia causato da un campo elettrico, che oscilla in una serie di cavità attraversate ad ogni giro dalle particelle.

COLLISORE PROTONE-PROTONE (l’ISR)

È un sincrotrone lungo circa 1 Km in cui due fasci di protoni, ciascuno di 30 GeV di energia cinetica ruotano in senso opposto in due sincrotroni che si intersecano in otto punti.

SUPER SINCROTONE a PROTONI (SPS)

In una ciambella lunga 7 Km fasci sufficientemente intensi di protoni e antiprotoni collidono a circa 700 GeV di energia. Grazie a questo acceleratore furono scoperti da Rubbia i due bosoni intermedi Z e W.

GRANDE COLLISORE DI ELETTRONI E POSITRONI:il LEP.

È il collisore con il quale sono ottenute le massime energie nell’annichilazione elettrone-positrone (anti-elettrone, Anderson 1932). È stato installato in un tunnel di 27 Km di circonferenza, nel quale erano localizzati migliaia di elettromagneti che piegavano e focalizzavano le centinaia di miliardi di queste particelle che circolavano in verso opposto in una ciambella di alluminio(con una sezione di circa 5-10 cm).

GRANDE COLLISORE DI ADRONI l’ LHC LHC è il nuovo acceleratore, è stato installato in un

tunnel di 27 Km di circonferenza scavato tra 50 e 150 metri sotto terra prima occupato dal LEP. Produrrà collisioni frontali tra due fasci di particelle dello stesso tipo, protoni o ioni di piombo

Perché acceleratori sempre più grandi e sofisticati?

L’energia si può trasformare in massa e, quindi, più energia si ha a disposizione maggiore è la massa delle nuove particelle che possono essere create nella collisione

I rivelatori di particelle I rivelatori di particelle registrano ciò che avviene quando le particelle

collidono. Le collisioni ad alta energia producono molte nuove particelle. L’energia si trasforma in materia secondo l’equazione di Einstein.

I vari strati del rivelatore misurano le diverse proprietà delle particelle prodotte nelle collisioni. I rivelatori di traccia danno informazioni sul percorso delle particelle dal punto di collisione verso l’esterno del rivelatore. Altri strati chiamati calorimetri, misurano l’energia delle particelle. Un magnete costruito al centro del rivelatore, curva la traiettoria delle particelle cariche ed aiuta così ad identificare il tipo di particella.

Vertex Detector: posizione delle tracce

Drift Chamber : curvatura della traccia nel campo magnetico rivela il momento della particella.

Cerenkov detector: misura la velocità delle particelle

Calorimeter: misurano l’energia delle particelle

Magnet coil: magnete che separa i due strati

Warm iron calorimeter: registra i muoni

LHC: l’acceleratore più potente al mondo.

Una catena di acceleratori produrrà i fasci di particelle accelerati ad

un’energia di 0,45 TeV prima di essere iniettati in LHC dove circoleranno in un vuoto paragonabile a quello dello spazio intergalattico ed effettueranno milioni di giri. In ogni giro riceveranno una spinta da un campo elettrico generato in speciali cavità fino a raggiungere i 7 TeV.

I due fasci saranno guidati da 1800 magneti superconduttori raffreddati a temperature estremamente basse. Le bobine sono realizzate in niobio-titanio (un materiale superconduttore capace di condurre elettricità senza resistenza ad una temperatura molto bassa 1,9 K (-271°).

In questo modo l’intensità del campo magnetico sarà circa 8 T, un’intensità quattro volte superiore a quella dei magneti tradizionali.

Ci sono 4 grandi rilevatori di particelle: ALICE, ATLAS, CMS, LHCb, dove si potranno osservare le collisioni.

3.000 pacchetti di particelle di 100 miliardi di particelle ciascuno per ogni fascio.

20 su 200 miliardi di particelle sono le collisioni 30 milioni di volte al secondo sono le volte in cui

i fasci si incroceranno 600 milioni di collisioni al secondo 11.245 giri che un protone effettua al secondo. In 10 ore le particelle percorreranno 10 miliardi

di Km equivalenti ad un viaggio di andata e ritorno Terra-Nettuno.

Alcuni dati …

I dati sperimentali raccolti al CERN e negli altri acceleratori esistenti hanno potuto confermare le ipotesi teoriche sulla struttura della materia e sulle interazioni: il Modello Standard, per la prima volta proposto nel 1974 da John Iliopoulos.

Alla fine degli anni 60anni 60 presso l’Università di Stanford entrò in

funzione un nuovo ACCELERATORE LINEARE con il quale per la prima volta fu possibile bombardare con elettroni di 10 GeV

un bersaglio di idrogeno puro. Furono osservati molti più elettroni del previsto diffusi a grandi angoli

(dai 10°ai 20°) che corrispondevano a scambi di energia di 2 GeV. si

dovette concludere che nei protoni del bersaglio sono contenuti dei

noccioli duri: i QUARK.

nome simbolo carica

Up u +2/3 e

Down d -1/3 e

Strange s -1/3 e

Charmed c +2/3 e

Bottom b -1/3 e

Top t +2/3 e

Livelli di struttura della materia

Atomo nucleo

Protoni

neutroni

u

u

u

d

d

d

Neutrino elettronico

Elettrone

2 LEPTONI

MESONI 1950 scoperta

del PIONE BARIONIProtone,neutrone,…

Ogni barione (antibarione ) rappresenta uno stato legato formato dalla combinazione di 3 quark (antiquark) e ogni mesone rappresenta uno stato legato formato da un quark e un antiquark.

Ogni quark può mostrarsi in tre varietà distinte per il colore: rosso, verde e blu.

Ciascuno dei tre quark che compongono un barione deve avere colore diverso e ogni mesone deve essere formato da un quark di un colore e un antiquark del corrispondente anticolore.

ADRONI

UN QUARK + ANTIQUARK.

TRE QUARK

12 TIPI DI PARTICELLE-MATERIA:

1a FAMIGLIA

2a FAMIGLIA

3a FAMIGLIA

LEPTONI:ELETTRONE,

NEUTRINO ELETTRONE

QUARK:UP,DOWN

LEPTONI:MUONE,

NEUTRINO MUONE

QUARK:CHARMED, STRANGE

LEPTONI:TAUONE,

NEUTRINO TAUONE

QUARK:TOP,BOTTOM

Le interazioni fondamentali e i “mediatori”

FORZE MEDIATORI SIMBOLI PARTICELLE SOGGETTE ALLA FORZA

FORTI GLUONI

MESONI

g1,…,g8

π+ ,π –, π0

Quark

Adroni

ELETTROMAGNETICHE FOTONI γ Quark ed elettroni

DEBOLI ASTENONI W +,W-, Z0 Quark, elettroni e neutrini

GRAVITAZIONALI GRAVITONI G Quark, elettroni e neutrini

Tutte le forze note si riducono allo scambio

Tra particelle-materia di una o più particelle-forza.

Tale scambio può causareUn cambiamento del moto

delle particelle.

Bosoni W+ e W-

Evento di una creazione di una coppia W+ e W- osservato nel 1983 da Rubbia al SuperProto-sincrotone

Il Bosone detto anche astenone carico esiste sotto due forme una positiva W+ e l’altra negativa W- , che sono l’una l’antiparticella dell’altra. In un decadimento beta l’astenone è virtuale e quindi esiste per un tempo brevissimo, trascorso il quale è riassorbito dai quark oppure decade in un elettrone e in un antineutrino

IL BOSONE Z0

Nel 1973 al CERN nella camere a bolle detta GARGAMELLA si osservarono alcuni eventi in cui un neutrino interagendo con la materia muta direzione di moto rimanendo ancora un neutrino, per cui ha bisogno di un mediatore che sia elettricamente neutro: Z0.

CAMERA A BOLLE La camera è piena di un liquido a temperatura inferiore a quella

corrispondente a quella di ebollizione. La pressione viene improvvisamente abbassata e il punto di ebollizione si abbassa. Il liquido comincia allora a sviluppare bollicine che si formano di preferenza attorno agli ioni. Le bolle sono visibili se sottoposte ad un’intensa illuminazione. Quando è terminata la fase di decompressione viene iniettato il fascio e dopo vengono fatte lampeggiare le luci che illuminano le bolle, dopo di che inizia di nuovo la compressione della camera. Il ciclo si ripete circa una volta al secondo. Le camere a bolle danno una fotografia dell’evento studiato e che dovrà essere analizzata per trarne le informazioni volute.

Oltre il Modello standard… Il modello dà una buona spiegazione dei fenomeni

osservati sperimentalmente Non spiega perché ci sono 3 famiglie Non spiega perché solo una è osservabile nel mondo

reale Non spiega perché una particella ha una certa massa Non comprende l’interazione gravitazionale. Ricerca del Bosone di Higgs, responsabile di fornire la

massa delle particelle. …

Bibliografia “Fisica 2” A.Caforio, A.Ferilli ed. Le Monnier. “Fisica vol 3” Amaldi, ed Zanichelli Materiale cartaceo reperito al CERN “Le costruzioni della Fisica” vol.B G.Manuzio e

G.Passatore ed. Principato. www.phunito.it/maina/didattica/lab.SIS.html