La Fisica delle Particelle Elementari

19 Febbraio 2003
Relatore: Alessandra Tonazzo
La Fisica delle
Particelle Elementari:
la teoria, gli esperimenti
• Quali sono i costituenti fondamentali della materia ?
• Quali sono le forze che controllano il loro
comportamento ?
• Quali sono i principi e le leggi che governano
l’universo ?
• Quali strumenti possiamo usare per esplorare le
risposte a queste domande ?
1
L’atomo : il mattone
fondamentale della materia ?
2
L’atomo non è indivisibile
1895-98 :
• Scoperta dei raggi X
W.Roentgen
• Scoperta degli elementi
radioattivi
M. e P.Curie
H.Becquerel
• Scoperta dell’elettrone
Dallo studio delle scariche
in gas rarefatti
J.J.Thomson
3
L’esperienza di Rutherford (1909)
Modello di Thomson
Modello di Bohr
4
Il modello atomico di Bohr
L’atomo e` in gran parte “vuoto”
in un modello in scala se il nucleo
e` un pallone da calcio, gli elettroni
si muovono sulla parte piu` lontana delle tribune
Esistenza degli isotopi
(stessa carica, diversa massa) =>
il nucleo è composto di protoni e neutroni
5
Le due grandi rivoluzioni
dell’inizio del ‘900
Meccanica Quantistica
H.Schroedinger
Relatività
W.Heisemberg
A.Einstein
E = mc
2
Equazione di Dirac
(iγ∂ − m)ψ (x) = 0
P.Dirac
6
L’equazione di Dirac descrive correttamente le proprietà dell’elettrone
Ma fa anche altro:
Prevede l’esistenza di una particella
identica all’elettrone, ma con carica elettrica
positiva invece di negativa, allora sconosciuta
Dirac prevede il positrone
Nel 1932 Carl Anderson
verifica sperimentalmente
la previsione di Dirac
La curvatura (particella
carica in campo
magnetico) ci dice che è
una particella con carica
POSITIVA
Ogni particella ha una antiparticella
7
La Forza di Lorentz
Una particella carica in moto in un campo
magnetico è soggetta a una forza
F=qvxB
B
F
v
•Direzione perpendicolare al campo magnetico e alla
direzione del moto
•Verso dipendente dalla carica (positiva/negativa)
•Raggio di curvatura della traiettoria proporzionale
alla quantità di moto
P [GeV/c] = 0.3 B [Tesla] R [m]
8
Una miriade di nuove particelle
Scoperte a partire dagli anni ’30 nelle interazioni dei raggi cosmici e dei fasci
prodotti dagli
acceleratori
Enrico Fermi:
“Ragazzo, se io potessi
ricordare il nomedi tutte
queste particelle sarei
un botanico!”
Ma allora: che cosa significa FONDAMENTALE??
Quali sono i veri mattoni elementari della materia ?
9
I leptoni
Neutrino: introdotto da
Wolfgang Pauli ed Enrico Fermi
per preservare la conservazione
dell’energia nel decadimento
beta del neutrone
n → p + e− + ν e
Tre famiglie, ognuna
contenente un “elettrone”
e un neutrino
Muone: particella identica
all’elettrone, eccetto che per
la massa, 200 volte maggiore
I.I. Rabi:
“Il muone, ma chi
l’ha chiesto?”
10
I quark
Murray Gell-Mann
“Three quarks for Muster Mark ”
J. Joyce, Finnegan’s Wake
Up e down costituiscono la materia ordinaria (p = uud, n = udd)
Gli altri compongono tutte le altre particelle osservate
Non si osservano quark liberi: sono CONFINATI
nelle particelle da essi costituite
11
Dimensioni
Lo spazio è quasi totalmente vuoto!
Sono le forze che “creano” la solidità degli oggetti
12
Le Forze (o interazioni)
Evoluzione del concetto di forza
Consideriamo l’interazione
elettromagnetica fra due elettroni
Newton:
A
•←
e
Azione a distanza
r
B
→•
e
e
F ∝
r
2
2
rˆ
La forza su A dipende da dove si trova B.
Ma in che modo A sa dove si trova B?
Maxwell:
Interazione attraverso Campi
B produce un campo caratterizzato da un numero (e/r2) in ogni punto dello spazio.
La forza su A è diretta nella direzione in cui il numero varia più velocemente.
A determina la sua risposta “facendo osservazioni” nelle sue immediate vicinanze
Ma ... ancora nessuna connessione tra A e B
13
Le forze (o interazioni)
Feynmann:
Le Forze sono prodotte dallo scambio di
particelle mediatrici di forze
B emette continuamente la particella che trasporta la forza e.m. (il fotone).
L’elettrone A assorbe il fotone e rincula (la forza repulsiva tra gli elettroni)
( nella teoria quantistica dei campi entrambi i segni dell’impulso scambiato
sono possibili)
14
Le 4 interazioni fondamentali
Intensità:
10-38
10-5
10-2
1
Carlo Rubbia e Simon van der Meer
Premio Nobel per la Fisica 1984 per la
scoperta al CERN di Ginevra dei bosoni
vettori W e Z, portatori della forza debole
15
Distanze
Perché la gravità e l’elettromagnetismo ci sono familiari,
mentre non sapevamo nulla della forza debole e di quella forte?
Perché hanno raggio d’azione INFINITO, mentre le forze
debole e forte sono confinate a BREVI DISTANZE
Il raggio d’azione di una forza è
legato alla massa del suo portatore
16
Il Modello Standard
“riassunto” delle attuali conoscenze circa la fisica
delle interazioni fondamentali:
• individua le particelle fondamentali
• individua le forze fondamentali (e.m., debole, forte)
• detta le regole attraverso cui le particelle interagiscono
tramite le forze (esempio: conservazione della carica elettrica)
• permette di effettuare previsioni teoriche confrontabili
con gli esperimenti
17
Il Modello Standard
QED
Premio Nobel per la Fisica 1965
( www.nobel.se/physics/laureates/1965/ )
Richard P.
Feynman
Julian
Schwinger
Sin-Itiro
Tomonaga
Interazioni
elettrodeboli
Premio Nobel per la Fisica 1979
( www.nobel.se/physics/laureates/1979/ )
Sheldon Lee
Glashow
Abdus
Salam
Steven
Weinberg
E le interazioni forti (QCD)?? Niente Nobel per ora!
18
19
Un esempio di interazione tra particelle elementari
+ −
+
−
e e →D D
Elettrone e positrone si scontrano. La forza elettrodebole produce un charm e un anticharm
Il charm e l’anticharm si allontanano. La forza forte fa nascere un down e un antidown,
e li lega a charm e anticharm per formare le particelle osservabili D
20
Interazioni fondamentali:
come ci appaiono
e+eW+W- ed e+eqq al collisore LEP
in funzione al CERN dal 1998 al 2000
Energia da 91 a 210 GeV
21
Interazioni fondamentali:
come ci appaiono
pp
4µ + …
al futuro acceleratore LHC
Energia = 14 TeV
(simulazioni)
22
Leggi di conservazione
Nelle interazioni fondamentali si
conservano energia e quantità di moto
ΣEi = ΣEf Σpi = Σpf
Sono inoltre conservati:
carica elettrica, numeri leptonico e barionico, ecc….
23
Come vediamo alle diverse scale di grandezza ?
24
L’osservazione del microcosmo
I piu` piccoli dettagli “risolvibili”
hanno dimensioni confrontabili
con la λ della “luce” usata per
osservarli
λ
Per il principio di indeterminazione,
a piccole lunghezze d’onda
corrispondono grandi energie:
λ <<
h hc
=
p E
E
Servono particelle di alta energia per
esplorare il microcosmo
25
Le unità di misura
In fisica delle particelle, le energie si misurano
in elettronVolt (eV) e loro multipli
1 eV è l’energia acquistata da una particella di carica
unitaria che attraversa una differenza di potenziale di 1 V
1 eV = 1.6 x 10-19 Joule
Quantità di moto -> eV / c
Masse
-> eV / c2
ricordiamo E = mc2
26
“Microscopi” sempre più potenti
Oggetto
Dimensione
Energia della Radiazione
Atomo
10-10 m
0.00001 GeV (elettroni)
Nucleo
10-14 m
0.01 GeV (alfa)
Nucleone
10-15 m
0.1 GeV (elettroni)
Quark
?
> 1 GeV (elettroni )
Le sorgenti radioattive forniscono particelle con energie
massime di qualche MeV
Per ottenere energie più alte e vedere
dettagli più piccoli occorrono gli
acceleratori di particelle
27
Problemi aperti:
le masse
• Perché i portatori delle
diverse forze hanno masse
così diverse fra loro ?
• Perché quark e leptoni delle
tre famiglie hanno masse
diverse ?
Il Modello Standard prevede una particella, il bosone
di Higgs, che determina la massa delle altre particelle
in base all’intensità della sua interazione con esse
L’Higgs non è ancora stato osservato sperimentalmente,
alle energie sinora raggiunte dagli acceleratori…
occorre cercarlo a energie più alte !
28
Problemi aperti :
unificazione delle forze ?
• È possibile che le interazioni fondamentali siano
diverse manifestazione a bassa energia di
un’unica interazione ?
occorre esplorarlo a energie più alte !
29
La fisica delle particelle elementari
sempre più potenti
sempre più sofisticati
sempre più complessa
Grandi collaborazioni internazionali
30
Il CERN di Ginevra
Fondato nel 1954
19 stati membri
(+ osservatori)
Edoardo Amaldi
31
L’esperimento ATLAS
A Toroidal Lhc ApparatuS
lunghezza
≈ 40 m
≈ 10 m
raggio
peso
≈ 7000 tons
canali di elettronica ≈ 108
.... e ≈ 3000 km di cavo
Tracciamento : (Barrel, solenoide B = 2 T)
Pixel e strip di silicio
Rivelatore a radiazione di transizione
Calorimetria :
EM (Pb-LAr)
HAD ( Fe-scintillatore, Cu/W-LAr)
Spettrometro a muoni :
Toroide in aria con camere a muoni
32
La collaborazione ATLAS
Austria
Azerbaijan
Belarus
Brasile
Australia
Canada
Cina
Ceca Rep.
Armenia
Danimarca
Regno Unito
Finlandia
USA
Turchia
Francia
Taiw an
Georgia
Svizzera - Cern
Germania
Svizzera
Grecia
Svezia
Spagna
Slovenia
Slovacchia
Israele
Russia
Giappone
Romania
Portogallo
Italia
Marocco
Polonia
Olanda
Norvegia
33
Altri centri di ricerca internazionali
Fermilab, USA
KEK, Giappone
LNF, Frascati, Italia
34
La Fisica delle Particelle Elementari
• I componenti fondamentali della materia
• Le leggi che regolano le loro interazioni
La teoria
per descriverli:
Il Modello Standard
Gli esperimenti
per osservarli:
Acceleratori e rivelatori
35