20151119 un velo di particelle minutissime

Francesco Forti INFN e Università di Pisa [email protected]

Un velo di particelle

minutissime La fisica delle particelle tra ricerca di base, energia nucleare, applicazioni

Leggerezza •  Oggi ogni ramo della scienza sembra

ci voglia dimostrare che il mondo si regge su entità sottilissime: come i messaggi del DNA, gli impulsi dei neuroni, i quarks, i neutrini vaganti nello spazio dall'inizio dei tempi...

•  …Non è una melanconia compatta e opaca, dunque, ma un velo di particelle minutissime d'umori e sensazioni, un pulviscolo d'atomi come tutto ciò che costituisce l'ultima sostanza della molteplicità delle cose.

F.Forti - Un velo di particelle minutissime 2

Perché ?

Scala dell’universo Di che stoffa siamo faEi ?

Materia e antimateria

Storia dell’universo dal Big Bang


Perché si studia la fisica delle particelle ?

hEp://scaleofuniverse.com/ hEp://www.particleadventure.org/history-‐‑universe.html

Scala dell’universo


Particelle

Dunque è pur di mestier che la natura D'invisibili corpi il tutto formi. Ma non creder però che l'universo Sia pieno affatto. In ogni cosa il vôto Misto è co' corpi…


Di che stoffa siamo faEi ? L’eterna ricerca dei costituenti “fondamentali” •  1800: atomi, tavola periodica •  1897: elettrone (Thomson, Nobel 1906) •  1919: protone (Rutherford, aveva già il Nobel 1909) •  1932: neutrone (Chadwick, Nobel 1935) •  1967: quarks (Kendall, Friedman & Taylor, Nobel 1990)

Hanno carica frazionaria

Esistono tre generazioni


QUARKS

Tre generazioni ? •  Per fare il nostro mondo

bastano due quark e un leptone o  uud = protone o  udd = neutrone o  elettrone

•  Perché ci sono le altre generazioni ?

•  Da cosa sono determinate le masse ?

•  Riusciamo a spiegare il cosmo ?

•  à Domande cruciali massa

Bosone di Higgs

Modello Standard delle Interazioni Fondamentali


Materia e antimateria •  Dirac predisse l’esistenza

dell’anti-materia o  A partire da un modello matematico

•  1932: Scoperto il positrone (=anti-elettrone) o  Nei raggi cosmici

•  1955: scoperto l’anti-protone o  Prodotto in un acceleratore a Berkeley.

•  Ad ogni particella corrisponde una anti-particella o  Stessa massa o  Carica opposta

Una (quasi) perfeEa simmetria tra materia ed antimateria


Materia ed energia •  Einstein aveva capito

l’equivalenza tra materia ed energia.

•  Le ordinarie particelle sono stabili e non si trasformano in energia

•  Ma se materia ed anti-materia si incontrano……

e+ e-‐‑


Ma dov’è finita l’antimateria ? •  Se al momento del Big Bang si sono create uguali

quantità di materia ed antimateria, •  Perché nel nostro mondo c’è solo materia ?

•  L’antimateria è altrove ? No, le osservazioni del cosmo lo escludono.

•  Materia e antimateria non sono perfettamente simmetriche à Violazione della simmetria di “CP”


Simmetria di CP •  Per trasformare particelle in anti-

particelle dobbiamo invertire la carica (C), ma anche fare una riflessione nello specchio (P) à CP.

•  Una violazione della simmetria di CP (cioè una differenza tra materia ed antimateria) è prevista nel modello standard o  Scoperta da Cronin e Fitch nel 1964 per i mesoni K o  Scoperta dagli esperimenti Babar e Belle nel 2001

per i mesoni B

Ma Sakharov nel 1967 dimostrò che quantitativamente la asimmetria di CP del modello standard NON è sufficiente a giustificare l’abbondanza di materia


Tante domande •  Perché ci sono tre generazioni di

quark e leptoni ? •  Da cosa sono determinate le

masse ? •  Qual è la sorgente di asimmetria

materia – antimateria nell’universo ?

•  Ma anche: o  Di cosa è fatta la materia oscura o  Che cos`è l’energia oscura dell’universo


Storia dell’Universo


Piccole fluEuazioni crescono

Il cielo visto da Fermi-‐‑Glast F.Forti - Un velo di particelle minutissime 14

TuEo in un punto Si capisce che si stava tutti lì, - fece il vecchio Qfwfq, - e dove, altrimenti? Che ci potesse essere lo spazio, nessuno ancora lo sapeva. E il tempo, idem: cosa volete che ce ne facessimo, del tempo, stando lì pigiati come acciughe? Ho detto «pigiati come acciughe» tanto per usare una immagine letteraria: in realtà non c'era spazio nemmeno per pigiarci. Ogni punto d'ognuno di noi coincideva con ogni punto di ognuno degli altri in un punto unico che era quello in cui stavamo tutti. Insomma, non ci davamo nemmeno fastidio, se non sotto l'aspetto del carattere, perché quando non c'è spazio, aver sempre tra i piedi un antipatico come il signor Pbert Pberd è la cosa più seccante.


Che cosa ?

Particelle pesanti Particelle virtuali

Frontiere dell’energia e dell’intensità.

Decadimenti rari e asimmetrie di CP


Che cosa si misura ?

Particelle pesanti •  Lo zoo delle particelle è

stato esplorato in lungo e in largo.

•  La spiegazione alle tante domande si deve nascondere in particelle più pesanti che ancora non abbiamo scoperto.

•  Come le possiamo produrre e misurare ?


Particelle virtuali •  Principio di indeterminazione di Heisenberg

•  Non è possibile determinare contemporaneamente

•  Per un intervallo di tempo infinitesimo si possono creare particelle pesanti dal nulla o  Subito dopo vengono riassorbite e scompaiono

•  Ma lasciano delle tracce, delle orme che possono essere misurate.

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Posizione e quantità di moto

Energia (=massa) e tempo


Due corsie •  Frontiera dell’energia

Aumentare l’energia degli acceleratori per produrre direttamente le nuove particelle

•  Frontiera dell’intensità

Aumentare il numero di particelle “ordinarie” prodotte per studiarle così in dettaglio da vedere le tracce della nuova fisica


N.B.: molti altri esperimenti alla frontiera dell’intensità

Energia/Intensità •  Vogliamo osservare una grande nave che passa al

largo. Possiamo: o  cercare di vederla direttamente con cannocchiale potente. o  misurare con grande precisione le onde che arrivano a riva.

LHC/Energia

BELLE-‐‑II/Intensità


Che cosa si può misurare •  Bisogna scegliere le particelle giuste: seconda o

terza generazione (Fisica del sapore) o  Mesoni K, D, B o  Leptone τ

•  Decadimenti rari o proibiti o  Decadimenti che nel modello standard

avvengono con probabiltà molto bassa o per niente

o  Le particelle virtuali pesanti possono renderli possili.

o  Esempio: leptone tau che decade (solamente) in un leptone mu ed un fotone

•  Violazione del sapore leptonico ⇥� ! µ��

?


Una probabiltà su un miliardo

Asimmetrie e oscillazioni •  L’altalena dei mesoni B •  Simmetria à stessa probabilità

di andata e ritorno. •  Asimmetria à differenze tra

materia ed antimateria àViolazione della simmetria di CP •  Un po’ di differenza è predetta dal modello standard (e misurata) à NON BASTA !

•  Ci possono essere molti effetti dovuti alle particelle virtuali (ondine piccole piccole) à DA MISURARE


Quanto scommeEiamo ? Quando cominciammo a scommettere non c'era ancora niente che potesse far prevedere niente, tranne un po’ di particelle che giravano, elettroni buttati in qua e in là come vien viene, e protoni su e giù ciascuno per suo conto. Io non so cosa sento, come stesse per cambiare il tempo (in effetti s'era messo un po’ freddo) e dico: -  Scommettiamo che oggi la va ad atomi?

E il Decano (k) yk: - Ma fà il favore: atomi! Io scommetto di no, tutto quello che vuoi. E io: - Scommetteresti anche ix? E il Decano: - Ix elevato a enne! Non aveva finito di dirlo, e già attorno a ogni protone aveva preso a vorticare il suo elettrone, ronzando. Un'enorme nube d'idrogeno si stava condensando nello spazio. - Hai visto? Pieno d'atomi!


In che modo ?

Acceleratori • Bersaglio fisso • Collisori

I rivelatori


Acceleratori A bersaglio fisso: si sparano particelle accelerate su di un bersaglio fermo.

Collisori: si accelerano due fasci e si fanno collidere. e+e� ; pp ; pp


Come si accelerano le particelle ? •  Il campo elettrico esercita un forza sulle particelle cariche •  Un onda elettromagnetica a radiofrequenza che si propaga

produce un campo elettrico che si muove con la particella •  Per arrivare ad alte energie il trucco è essere sempre sulla

cresta dell’onda


Primo collisore e+e-‐‑ -‐‑ 1961 •  Anello di Accumulazione AdA •  Energia 0.25 + 0.25 GeV.

Frascati Orsay


Adone a LNF -‐‑ 1969 •  Prima macchina

moderna e+e- •  Energia

1.5 + 1.5 GeV •  Laboratori

Nazionali di Frascati

F.Forti - Un velo di particelle minutissime 28 Frascati

Spear a SLAC -‐‑ 1973 •  3+3 GeV (e+e-) •  Soperta della

J/ψ= charm-anticharm

•  Massa 3.1 GeV •  Annuncio in

contemporanea con BNL

•  11 novembre 1974

Beffa o sfortuna per Frascati: l’energia di 3 GeV era appena soEo la soglia per produrre la J/ψ

F.Forti - Un velo di particelle minutissime 29 Stanford, California

LEP al Cern -‐‑ 1989


45+45 GeV à 104.5+104.5 GeV

Ginevra, Svizzera

DaΦne a LNF -‐‑ 1999


0.51 + 0.51 GeV

Frascati

Le due frontiere Energia Intensità


Scala di energia •  Fotone di luce rossa: 1 eV

o  1eV = 1 elettrone attraverso 1 V = 1.6 x 10-19 J

•  Massa elettrone = 511 keV = 511.000 eV •  Atomo di idrogeno = 1 GeV = 1.000.000.000 eV •  Fabbriche di B = 10.58 GeV = 10.580.000.000 eV •  Energia a LHC: 13 TeV = 13.000.000.000.000 eV


LHC @ CERN

F.Forti - Un velo di particelle minutissime 34 Ginevra, Svizzera

L’acceleratore più potente al mondo (13 TeV) in un tunnel di 27 km

Large Hadron Collider

PEP-‐‑II e Babar

F.Forti - Un velo di particelle minutissime 35 Stanford, California

KEK-‐‑B e Belle à Belle-‐‑II U14'$+%4)!_!P`)%+)>*,*4,.1)`*$$*)/)U-545:%

Tsukuba-san

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~premer 1 km

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F.Forti - Un velo di particelle minutissime 36 Tsukuba, Giappone

Rivelatori •  Apparati molto

complessi •  Tecnologie

avanzate •  Grandi

collaborazioni internazionali


Gigantesche cipolle •  I vari tipi di particelle danno segnali diversi nei vari

strati di rivelatore •  Il rivelatore è il

risultato di un diffile compromesso tra non disturbare le particelle e ottenere un segnale abbastanza intenso da essere rivelato


BABAR


2011: il tracciatore al silicio di Babar va al museo

•  S


Bello, ma serve ? •  La ricerca di base risponde ad una

esigenza di conoscenza •  Ma permette anche di scoprire cose e

strumenti che possono essere applicati a migliorare la nostra vita (o purtroppo a peggiorarla).

•  La grande domanda del nostro tempo e’ come essere sicuri che la perenne rivoluzione scientifica porti effettivamente benefici a tutti, piuttosto che allargare il divario tra ricchi e poveri. … La tecnologia deve essere guidata dall’etica se deve fare qualcosa di più’ che creare nuovi giocattoli per i ricchi.


Freeman Dyson

Raggi X •  Tantissime applicazioni dei raggi nella nostra società


Serve l’anti-‐‑materia ? •  Prodotta normalmente dai raggi cosmici,

da certi decadimenti radioattivi, e negli acceleratori.

•  Si può anche usare senza “esplosioni”.

•  Ad esempio la PET

photon detector

photon detector

Si inietta una sostanza radioattiva che emette positroni Si misurano i fotoni che risultano dalla annichilazione elettrone-positrone


Fissione nucleare •  La scoperta che un neutrone lento può spezzare un

nucleo di Uranio ha portato alla possibilità di costruire reattori (e bombe)


Ricerca fondamentale L’esplorazione delle frontiere della conoscenza non è solo affascinante, ma anche importantissimo per l’uomo e la società. Non si tratta di una curiosità accademica, ma del solo modo che esista per scopire cose veramente nuove, inaspettate, e fornire all’umanità gli strumenti concettuali per la tecnologia del futuro. Nel breve termine genera un’infinità di ricadute industriali e tecnologiche, avvicina le nazioni nella collaborazione a fini scientifici, e soprattutto aiuta a formare e a far crescere le generazioni future.


L’immaginazione è più importante della conoscenza.

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GRAZIE DELL’ATTENZIONE

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