10. Attorno al 1900 si vide che gli atomi potevano
essere classificati in base alle loro proprietà
chimiche.
questo fatto lasciava pensare che gli atomi
non fossero fondamentali.
12. Nel 1898
studiando i
raggi catodici
J.J.
Thomson
scopre
l'elettrone
e ne misura il rapporto tra
carica elettrica e massa.
13. Nel 1905
studiando lo
scattering di
particelle da parte
di un sottile
bersaglio d'oro
Rutherford
scopre
il nucleo
atomico
14. Questi esperimenti permisero di stabilire che
l'atomo è composto da un nucleo denso, di
carica positiva, e da una nube di elettroni.
L'atomo ha una struttura interna
15. Ma non è finita...
Anche il nucleo è composto: è
fatto di protoni e neutroni.
18. Cosa è successo?
Con l'avvento dei primi
acceleratori
si inizia a produrre nuove particelle.
Ma cosa sono gli acceleratori?
Se non ti interessano gli acceleratori
19. Capita abbastanza spesso che i fisici vogliano studiare
particelle massive instabili che hanno solo un'esistenza
brevissima.
Ma tutto quello che possono trovare nel mondo che ci
circonda normalmente sono particelle di piccola massa.
C'è un trucco geniale: usare particelle di piccola massa
per ottenere particelle di massa maggiore. Come
funziona?
21. Senti la voce di Einstein che spiega l’equivalenza energia-massa
22. Quando un fisico vuole adoperare particelle di piccola
massa per creare particelle di grande massa, tutto quello
che deve fare è
• mettere le particelle di piccola massa in un acceleratore,
• dar loro un bel po' di energia cinetica,
• e poi farle andare a sbattere l'una contro l'altra.
Nell'urto, l'energia cinetica delle particelle si converte nella
formazione di nuove particelle massive.
E' attraverso questo processo che possiamo creare in
laboratorio particelle massive instabili in natura, in modo
da studiarne le proprietà.
23. E' come se
facessimo
scontrare
frontalmente
due fragole
ed
ottenessimo
altre fragole,
tantissime
piccole
ghiande,
qualche pera,
una banana,
una noce, e
una prugna.
24.
25. Come funziona un acceleratore
Gli acceleratori di particelle possono essere di due tipi: lineari o
circolari.
26. Le componenti base di un acceleratore sono:
1. Una sorgente di particelle;
2. Campi elettrici che
accelerano le particelle;
3. Campi magnetici che
curvano e focalizzano i
fasci di particelle;
4. Rivelatori che consentono
di osservare le collisioni
fra le particelle e le
particelle prodotte. Fermi al sincrociclotrone di Chicago
27. I PRINCIPALI ACCELERATORI
SLAC: Acceleratore Lineare del Centro di Stanford, in
California, U.S.A.; qui sono stati scoperti il quark
charm e il leptone tau.
28. Tevatron al Fermilab di Chicago: sincrotrone per protoni,
qui sono stati scoperti i quark bottom e top.
Il Tevatron è stato spento
il 30 settembre 2011
29. CERN: Organizzazione Europea di Ricerche Nucleari, tra Svizzera e
Francia; qui sono state scoperte le particelle W e Z.
LEP al CERN di Ginevra 1988-2001
Ugo Amaldi
Ma c’è anche questo
30. Lungo l'anello del LEP, a cento metri di profondità, elettroni
e positroni venivano sparati in direzione opposta a velocità
vicine a quelle della luce, così da percorre i 27 Km del LEP
oltre diecimila volte al secondo.
33. Collisioni Protone-Protone
7 TeV +7 TeV
1,000,000,000 di collisioni
ogni secondo
Obiettivi scientifici:
• L’origine della massa
• La materia oscura
• Il plasma primordiale
• Materia contro antimateria
34. Circonferenza dell’LHC = 26.6 km
Profondità ~ 100 metri
Temperatura = 1.9 Kelvin
Energia = 7 TeV: energia di 5 mila miliardi di batterie AA
energia di 7 mosche che volano
7000 volte la massa del protone
La velocità del protone = 0.999999991 c
Energia totale di un fascio ~ un aereo che vola
Ai punti di collisione, i fasci sono più stretti di un capello
Il conto: ~ 3 miliardi di Euro + il lavoro + gli esperimenti
38. Negli acceleratori come LHC le cose sono un po’ più complicate.
Qualcosa di simile all’inversione di polarità viene assicurata da un
generatore di radiofrequenza e la successione di elettrodi è
rimpiazzata da cavità risonanti come questa
41. Per LHC abbiamo bisogno di due linee di fascio, ciascuna con i suoi magneti,
per tenere in traiettoria i due fasci di protoni che circolano in senso opposto
42.
43. Più vuoto dello spazio interplanetario!
La pressione nei tubi é 10 volte
minore della pressione atmosferica
sulla superficie della luna
44. I magneti sono più freddi dello spazio
1.9 K
la radiazione cosmica: 2.7 K
45. Il punto più caldo della galassia!
Equivalente ad una temperatura
un miliardo di volte più alta
che nel centro del sole
47. 47
Il passaggio delle particelle
misura del momento
via curvatura
nel campo magnetico
misura dell’ energia
via creazione e totale
assorbimento di sciami
measurement by
missing energy
rivelazione dei muoni
che hanno attraversato tutto
Il rivelatore.
Lungo braccio di leva:
misura del momento
electromagnetic hadronic
shower
undetected
neutrinos...
48. L’esperimento ATLAS:
ricerca del bosone di Higgs e della supersimmetria
Più leggero della torre Eiffel:
galleggerebbe nell’acqua
Diametro 25 m
Lunghezza dei magneti 26 m
Lunghezza totale 46 m
Peso totale 7000 Tonnelate
2500 fisici
164 istituti
35 paesi
56. L’esperimento CMS:
ricerca del bosone di Higgs e della supersimmetria
Piu pesante della torre Eiffel:
affonderebbe nell’acqua
2000 fisici
180 istituti
37 paesi
65. Con grande sorpresa dei fisici, gli esperimenti con gli
acceleratori rivelarono che il mondo delle particelle era
molto ricco; furono scoperti molti tipi di particelle simili a
protoni e neutroni (i barioni), e un'intera famiglia nuova, i
mesoni.
Entro la metà degli anni '60 erano stati
identificati circa
cento tipi di particelle.
66. Le domande diventano ben presto molte e
pressanti e la teoria rincorre faticosamente le
molte scoperte degli anni '30-'50.
Ben presto il quadro delle particelle "elementari"
è talmente complicato e ampio che diventa logico
e necessario cercare una struttura soggiacente, per
semplificarne la descrizione.
67. Risolse il
problema la
teoria dei
quark di
Gell-Mann e
Zweig.
Negli ultimi trent'anni, la teoria si è arricchita e ha
guadagnato crescente favore con nuove prove sperimentali
dovute ai moderni acceleratori di particelle.
Vedi video
68.
69. I protoni e i neutroni
non sono fondamentali:
sono composti da particelle
più elementari, chiamate
quark.
Attualmente si ritiene che
i quark e gli elettroni SONO fondamentali.
70. Allora, come posso rappresentare l’atomo?
Ma questo diagramma
è fuori scala!
Come sarebbe in scala?
Se
protoni e i neutroni : 1cm;
elettroni e quark : spessore di un capello;
Atomo: più di 30 campi da calcio!
E poi, tutte le particelle sono in continuo
movimento.
72. Se i protoni e i
neutroni in questa
figura avessero un
diametro di 10 cm,
allora i quark e gli
elettroni
dovrebbero essere
meno di 0,1 mm, e
l'atomo intero 10
km.
73. E’ affascinante pensare che tutto è fatto con solo tre
particelle - elettroni, protoni e neutroni.
...e protoni e neutroni sono immortali, vivono più a
lungo dell’età dell’ Universo.
Allora il mio corpo è fatto di particelle che non
moriranno?
Quanti anni hanno?
Circa 15 miliardi di anni … la stessa età del nostro
universo.
Ma, come si sono create?
Sono state create dall’energia nel primo istante dopo
il Big Bang.
74. Crea disagio un mondo fatto di tantissime
particelle diverse, il cui ruolo non è chiaro.
75. Questa è la sfida:
semplificare la descrizione del mondo
77. Nel 1967 si rivela la possibilità d'inquadrare tutte le
particelle veramente elementari, e le forze che
esse risentono, in un modello teorico enunciato da
Glashow, Salam e Weinberg :
il "Modello Standard"
78. Con il Modello Standard si intende
descrivere sia la materia che tutte le forze
dell'universo (esclusa la gravità).
La sua bellezza sta nella capacità di
spiegare centinaia di particelle e
interazioni complesse con poche particelle
e interazioni fondamentali.
79. Il punto di forza del Modello Standard, quello
che lo rende capace di spiegare così tante cose,
è il riportare tutte le particelle osservate a:
6 tipi di leptoni
6 tipi di quark, e...
particelle mediatrici di forza .
80. Il primo tipo di particelle
materiali che andiamo a
conoscere sono i leptoni.
I leptoni carichi sono:
l'elettrone (e);
il muone (μ);
il tau (),
Gli ultimi due sono
fondamentalmente elettroni
con molta più massa.
I leptoni carichi sono tutti
negativi.
81. Gli altri tre leptoni sono i
neutrini.
Non hanno carica
elettrica, e hanno una
massa piccolissima.
C'è un tipo di neutrino che
corrisponde a ogni tipo di
leptone con carica
elettrica.
Per ciascuno dei sei
leptoni c'è un leptone di
antimateria (antileptone)
con massa uguale e carica
opposta.
82. Per ogni particella (materia) c'è la corrispondente antiparticella
(antimateria). Un'antiparticella è identica alla sua particella sotto
ogni aspetto, tranne che per la carica, che è opposta.
Quando una particella e la sua antiparticella si incontrano, si
annichilano in energia pura. Questa energia può dar vita a
particelle, prive di carica, mediatrici di forza, come fotoni, bosoni
Z, o gluoni.
84. I leptoni, come i felini,
che sono indipendenti e
solitari, possono esistere
senza la compagnia di
altre particelle.
Attualmente, non
abbiamo alcuna prova
sperimentale che i
leptoni abbiano una
struttura interna, nè una
dimensione.
85. E poi…
ci sono sei tipi di
quark:
Up/Down,
Charm/Strange, e
Top/Bottom.
Per ciascuno di
questi quark esiste
il corrispondente
quark di
antimateria
(antiquark).
86. I quark hanno l'insolita caratteristica di avere carica
elettrica frazionaria, di 2/3 o -1/3, diversamente dagli
elettroni, che hanno carica -1, e dai protoni, che hanno
carica +1.
I quark sono dotati anche di un altro tipo di carica,
chiamata carica di colore.
Se non ti interessa la storia dei quark
87. Come gli elefanti, che sono animali sociali, i quark
vivono solo insieme ad altri quark
I singoli quark hanno cariche elettriche frazionarie. Ma
queste cariche frazionarie non sono mai state osservate
direttamente perché i quark non vanno mai in giro da
soli; invece, si trovano in gruppi a formare delle
particelle composte, chiamate adroni.
88. Ci sono due classi di adroni:
I barioni
I barioni sono gli adroni composti da tre
quark (qqq). Per esempio, i protoni sono
composti da 2 quark up e 1 quark down
(uud), e i neutroni da 1 up e 2 down
(udd).
89.
90. I mesoni
I mesoni contengono un quark e un antiquark.
Per esempio, un pione negativo è composto da
1 anti-up e 1 down.
91.
92.
93. Tutta la materia visibile
nell'universo è composta
dalla prima generazione di
particelle materiali: quark
up e down, ed elettroni.
94. La seconda e la terza
generazione sono
instabili, e decadono in
particelle della prima
generazione.
E' per questo motivo
che tutta la materia
stabile dell'universo è
fatta dalle particelle
della prima
generazione.
95. Dal momento che non abbiamo quasi mai osservato le
generazioni più alte delle particelle materiali, si pone il
problema: perché esistono?
Quando è stato scoperto il muone
nel 1936, il fisico I.I. Rabi ha
chiesto “E questa chi l’ha
ordinata?”
96. Abbiamo trovato una risposta alla domanda:
Di cosa è fatto il mondo?
Di QUARK e LEPTONI
Adesso prendiamo in considerazione l'altra domanda:
Cosa lo tiene insieme?
102. Insomma, ci sono due generi di
particelle:
particelle che sono materia
come gli elettroni, i protoni, i
neutroni, e i quark
e particelle che mediano le
interazioni
come i fotoni
106. Ci sono altre due interazioni
che noi non possiamo notare
dal momento che la loro sfera d'azione non è
molto maggiore del nucleo atomico.
107. Da queste due forze dipende l'esistenza di tutto ciò
da cui è composto il mondo;
e da loro dipendono anche i processi di
decadimento che rendono instabili alcuni tipi di
materia.
Agiscono nell 'infinitamente piccolo e nell’
infinitamente grande.
Vedi video forza forte e forza debole
111. Carlo Rubbia (Gorizia 1934), fisico
italiano.
La sua proposta di convertire il
superprotosincrotrone del CERN in un
anello di collisione per protoni e antiprotoni
ha permesso di raggiungere energie
sufficienti per osservare eventi in cui si
producono i bosoni intermedi W e Z.
Senti parte intervista a Rubbia
in occasione del Nobel
La scoperta di queste particelle elementari, annunciata nel
1983, confermò l'unificazione delle forze elettromagnetiche e
dell'interazione debole, costituendo un passo fondamentale
nello sviluppo della fisica moderna.
Rubbia ha ricevuto diversi riconoscimenti, tra i quali il premio
Nobel per la fisica, che ha condiviso nel 1984 con il fisico
olandese Simon van der Meer.
115. Riassumendo, esistono
8 gluoni, che mediano l'interazione nucleare
forte;
il gravitone responsabile della forza
gravitazionale;
il fotone, che media l'interazione
elettromagnetica;
le particelle W e Z che trasportano la forza
nucleare debole,
117. Il problema della massa • Non c’è una spiegazione della massa delle
particelle.
• Eppure le particelle hanno una massa, che è
enormemente diversa fra loro!
118. 118
s
e
Raggi cosmici
c t
b
Le particelle forza
g gluoni (8)
fotone
W+,W-, Z bosoni
Si possono produrre
in laboratorio
+ le antiparticelle
ossia l’antimateria
u
d
e
La materia di cui siamo fatti
Higgs
Le Particelle Fondamentali:Il MODELLO STANDARD
119. Il bosone di Higgs … come un campo di neve
Con gli sci uno va molto veloce:
Come una particella senza massa
ad es., un fotone = particella della luce
Con le racchette da neve,
uno va più lentamente:
come una particella con una massa
ad es., un elettrone
Con le scarpe uno affonda nella neve
e va molto lentamente:
come una particella con una grande massa
LHC cercherà
il fiocco di neve:
il bosone di Higgs
Lo cercheremo con
l’LHC
120. Trovato!!!!!
CERN - 4 luglio 2012
Video tutto nostro sulla Fabiola
Il grande rifiuto
122. La ricerca dell’Higgs
Il bosone di Higgs puo’ essere prodotto nella fusione di 2 dei gluoni che sono
122
all’interno del protone:
Il bosone di Higgs non e’ una particella stabile
Decade in particelle elementari piu’ leggere
Gli “stati finali” sono molteplici; i piu’ importanti sono:
– Hdue fotoni (Hγγ)
– H quattro leptoni, per esempio quattro elettroni o quattro muoni (H4l)
123. Per esempio consideriamo un decadimento di una particella di massa 125 GeV in
due fotoni: questo sarebbe il segnale dato da 206+45+49 eventi.
Questa e’ una simulazione
2 = (p1 + p2 )2
MH
Non è così facile scoprire una nuova particella:
124. Ma c’è il fondo
Massa di 2 fotoni non associati al decadimento di una particella
Questa e’ una simulazione
125. Se consideriamo tutti I fotoni che arrivano sul rivelatore
avremo il fondo e il segnale
Questa e’ una simulazione
126. E non hanno diversi colori!
Questa e’ una simulazione
127. Bisogna saper distinguere il segnale dal fondo: cioè capire se il
picco che si osserva è dovuto a fluttuazione casuali del fondo o è
il segno lasciato da una nuova particella
Questa e’ una simulazione
128. 128
Higgs in 4 leptoni
Evento simulato di produzione di Higgs
Il protone è formato da quark e
gluoni: 2 gluoni interagiscono e
producono Higgs, gli altri quark e
gluoni interagiscono producendo
molte particelle:
pp H +X + X
L’evento e’ complesso perche’ lo stato iniziale e’ complesso: il
protone e’ una particella composta da particelle elementari che
interagiscono tra loro. Nello stato finale avremo centinaia di
particelle prodotte + (forse!) quella di interesse.
129. 4 luglio 2012
129
Annuncio della prima scoperta degli
esperimenti Atlas e CMS:
Una nuova particella di ~125 GeV di massa
130. H ZZ4l (l=e,)
• La probabilita’ che H ZZ4l e’ molto piccola,
• l’Higgs decade in 4l solo il 10% circa delle volte.
• Gli eventi sono molto “puliti”:
• 4 leptoni (elettroni o muoni)
• con altissima efficienza di identificazione e
• ricostruzione
• provenienti dal punto dell’interazione (l’Higgs
• decade immediatamente)
• con alto valore del momento trasverso (pT~60 GeV)
• isolati
130
133. La significanza del segnale
• I nostri dati sono compatibili con
una ipotesi di solo fondo o con una
ipotesi di “segnale + fondo”?
• “fondo “ ‘fondo+signale”
• Il fondo e’ formato dai processi del
Modello Standard che conosciamo e
abbiamo (ri)misurato
nell’esperimento.
• Il segnale: ipotesi che sia un bosone
di Higgs
134. ATLAS 4ℓ Massa_H = 124.51 ± 0.52 GeV
CMS 4ℓ Massa_H = 125.8 ± 0.44 GeV
Se il picco del segnale si
trova ad almeno 3-4 s dal
fondo, allora abbiamo trovato
davvero qualcosa di nuovo!
3 s significa che la
probabilità che il segnale sia
una fluttuazione del fondo è
2,7 x 10-3, così piccola da
poter dire che il segnale non
sia dovuto al fondo ma alla
particella scoperta.
0.32 0.064 2.7 x 10-3 6.3x10-5 5.7x10-7
1s2s 3s 4s 5s
135. H
γ1= 86 GeV
γ2=56 GeV
• Rispetto ai 4leptoni e’ uno stato finale dove domina il fondo
• (2 fotoni prodotti da interazione dei quark).
• I due fotoni non lasciano traccia nel tracciatore e dunque il loro “vertice primario” non
e’ noto con precisione problema per quando si hanno molti eventi sovrapposti
(=pile-up, alta luminosita’ istantanea)
