in FISICA Curriculum di Fisica Nucleare e Subnucleare

Corso di Laurea in FISICA
LM!in FISICA
Curriculum di
Fisica Nucleare e Subnucleare
Prof. G.Sartorelli-Presentazione LM in FISICA-curr. Fisica NSN-15 aprile 2013
Presentazione del curriculum
FISICA NUCLEARE e SUBNUCLEARE
della LM in Fisica
PROGRAMMA:
Presentazione generale, Piano Didattico
La Fisica Astroparticellare
La Fisica Nucleare
G. Sartorelli
Laura Patrizii
Pietro Antonioli
La Fisica delle Alte Energie
Fabrizio Fabbri
Prof. G.Sartorelli-Presentazione LM in FISICA-curr. Fisica NSN-15 aprile 2013
LM in FISICA (LM-17) -- Curr. FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE
Prof. G.Sartorelli-Presentazione LM in FISICA-curr. Fisica NSN-15 aprile 2013
LM in FISICA (LM-17) -- Curr. FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE
Prof. G.Sartorelli-Presentazione LM in FISICA-curr. Fisica NSN-15 aprile 2013
LM in FISICA (LM-17) -- Curr. FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE
 vasto ventaglio di tesi di laurea, anche con
periodi di formazione all’estero
 presenza in grandi e prestigiose
collaborazioni. Ricerche di frontiera.
 i gruppi di ricerca di Bologna sono su quasi
tutte le linee di ricerca dell’INFN (seguiranno
colleghi dell’INFN per un panorama delle attività
di ricerca preminenti)
 Molto attivi anche nella comunicazione
 Viviamo in stretto contatto con i colleghi
INFN
 Facilità di contatti in Italia e all’estero per
PhD e borse Postdoc dopo la LM
Prof. G.Sartorelli-Presentazione LM in FISICA-curr. Fisica NSN-15 aprile 2013
LM in FISICA (LM-17) -- Curr. FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE
 possibilità di lavoro non solo nella ricerca:
preparazione in tanti campi: fisica,
elettronica, DAQ, programmazione, GEANT,
MC simulations, database (per grandi quantità
di dati),………
VISITATE il sito dell’INFN (www.bo.infn.it)
Prof. G.Sartorelli-Presentazione LM in FISICA-curr. Fisica NSN-15 aprile 2013
Per saperne di più…
http://corsi.unibo.it/fisicamagistrale/
http://www.bo.infn.it
Prof. G.Sartorelli-Presentazione LM in FISICA-curr. Fisica NSN-15 aprile 2013
Presentazione Laurea Magistrale in Fisica
Curriculum di Fisica Nucleare e Subnucleare
A.A. 2013-14
Bologna, 15 aprile 2013
Fisica delle Particelle
con acceleratori
Fabrizio Fabbri
Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
1
Una panoramica sull’offerta didattica del curriculum e` gia` stata fatta.
Mio compito: dare un’idea dell’ambiente dove si puo` svolgere un lavoro
di Tesi nel campo della Fisica Subnucleare con Acceleratori (Gruppo 1), e
un’idea del tipo di argomenti che possono venire offerti all’interno degli
esperimenti presenti nel nostro Dipartimento.
2
nucleo
protone e
neutrone
10- 8 cm
10-12 cm
10-13 cm
quark
elettrone
?
< 10-15 cm
?
< 10-15 cm
A tutt’oggi non si hanno evidenze
sperimentali di ulteriori strutture interne
Sono stati individuati altri costituenti della materia che sembrano essere
elementari
1a famiglia
2a famiglia
3a famiglia
QUARK
LEPTONI
Al momento si ritiene che questi siano i “mattoni fondamentali” del mondo materiale.
Le “vere” particelle elementari. Non ne sono stati scoperti altri (per ora).
Le centinaia di particelle scoperte a partire dagli anni ‘40 del secolo scorso,
collettivamente chiamate Adroni (Mesoni e Barioni), sono interpretabili come stati legati
di Quark tramite l’interazione forte.
4
Al momento conosciamo solo 4 Forze fondamentali tramite le quali i costituenti
interagiscono fra loro
Forza gravitazionale
Tutti
Forza debole
Forza elettromagnetica
Forza forte
Tutti
Solo i costituenti dotati di carica elettrica
Solo i Quark
Tutte le strutture materiali che conosciamo, semplici o complesse che
siano, sembrano essere interpretabili come il risultato delle interazioni
fra i costituenti tramite queste 4 forze.
Abbiamo una teoria fisica, il cosiddetto Modello Standard (MS),una teoria di campo
quantistica relativistica, che descrive con successo in un solo quadro teorico comune,
le teorie di campo quantistico dell'elettromagnetismo, dell'interazione debole e
dell'interazione forte.
5
Le ricerche attuali si propongono di giungere a una comprensione più profonda
di alcuni aspetti del Modello Standard, per esempio il meccanismo con cui si genera
la massa delle particelle.
In questo senso la scoperta e lo studio delle proprietà del bosone di Higgs
costituiscono un avanzamento decisivo delle nostre conoscenze.
Con gli esperimenti in corso si punta anche alla scoperta di fenomeni nuovi, che
portino a superare il Modello Standard. Un esempio sarebbe la rivelazione
sperimentale di particelle Supersimmetriche (alcune delle quali sono candidate
a costituire la materia oscura).
6
Altri esempi sarebbero la scoperta di nuovi segnali che diano ragione dell'asimmetria
tra materia e antimateria nel nostro Universo, oppure ancora la prova dell’esistenza
di ulteriori dimensioni spazio-temporali.
7
Un programma di ricerca affascinante ed eccitante
che richiede grande organizzazione e grandi risorse.
8
L’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN)
Le attivita` di ricerca in Fisica Nucleare e Subnucleare sperimentale
svolte all’interno del Dipartimento, sono promosse e finanziate dall’ INFN,
un Ente Pubblico di Ricerca dotato di infrastrutture proprie (Laboratori Nazionali),
personale Ricercatore, Tecnologo, Tecnico e Amministrativo proprio (dipendente)
e associato (Professori, Ricercatori e Tecnici Universitari, Studenti e Borsisti)
Le 5 linee di Ricerca dell’INFN
Gruppo 1 – Fisica Particellare
Gruppo 2 – Fisica Astroparticellare
Gruppo 3 – Fisica Nucleare
Gruppo 4 – Fisica Teorica
Gruppo 5 – Ricerca Tecnologica
20 Sezioni
10 Gruppi Collegati
4 Laboratori Nazionali
3 Centri Nazionali
distribuite sul territorio nazionale
(a Sezioni esistenti)
(Frascati, Gran Sasso, Lab. del Sud, Legnaro)
(CNAF, GSSI, TIFPA)
9
La Sezione di Bologna dell’INFN
Una delle piu` grandi (circa 100 dipendenti e altrettanti Associati).
Risiede all’interno degli edifici universitari del Dipartimento di Fisica e Astronomia.
Dotata di Servizi autonomi, fra i quali un laboratorio di Elettronica,
un servizio di Progettazione Meccanica e un’attrezzata Officina Meccanica,
un servizio di Calcolo e Reti.
A Bologna attivita` in tutte le 5 linee di Ricerca dell’INFN.
10
Al momento le attivita` dei ricercatori di Gruppo 1 a Bologna
sono concentrate quasi esclusivamente sugli esperimenti a LHC
ATLAS
CMS
LHCb
11
Lago Lemano
Aeroporto di Ginevra
SPS
Anello di 7 Km
LHC
Anello di 27 Km
CERN
Sito di Prevessin
(Francia)
CERN
Sito di Meyrin
(Svizzera)
12
Nel tunnel di LHC (27 Km)
13
I 4 rivelatori principali a LHC
ATLAS
46 m x 25 m x 25 m – 7·000 Tonn.
≈ 3000 fisici – 169 istituzioni – 37 nazioni
26 m x 16 m x 16 m – 10·000 Tonn.
≈ 1000 fisici – 109 istituzioni – 31 nazioni
CMS
21 m x 15 m x 15 m – 12·500 Tonn.
≈ 3000 fisici – 183 istituzioni – 38 nazioni
21 m x 10 m x 13 m – 5·600 Tonn.
≈ 700 fisici – 51 istituzioni
Gli esperimenti ATLAS e CMS sono i due grandi esperimenti “multi purpose”
di LHC. Anche se il loro scopo principale e` la ricerca del bosone di Higgs e la
ricerca di “segnali” dell’esistenza di nuova fisica oltre il Modello Standard, i due
rivelatori sono stati concepiti per essere in grado di studiare tutti gli aspetti della
fisica prodotta nelle collisioni fra protoni di altissima energia.
ATLAS
CMS
16
L'esperimento LHCb è dedicato alla fisica del quark 'beauty'.
Lo scopo principale è lo studio della struttura del fenomeno di “mixing”
nei quark e il ruolo che questo gioca nella violazione di CP, una possibile
chiave interpretativa della asimmetria fra materia e anti-materia osservata
nell’Universo.
17
La fisica subnucleare richiede apparati di grandi dimensioni ed estrema complessità.
Cosa vuol dire fare una tesi in uno di questi esperimenti ?
Vuol dire potere
lavorare sulle applicazioni delle tecnologie più moderne nel campo dei rivelatori,
dell’elettronica, dei sistemi di acquisizione dati e di calcolo.
Adatto per gli studenti che amano le attivita` in laboratorio o direttamente sul rivelatore,
che amano la tecnologia avanzata, fondamentale per la ricerca scientifica moderna
oppure elaborare i dati registrati dall’apparato sperimentale, analizzandoli con
sofisticati strumenti software e partecipare in prima persona alla produzione dei
risultati di fisica.
Adatto per gli studenti che prediligono la parte “conclusiva” del processo
di avanzamento della conoscenza scientifica.
18
Il numero di tesi disponibili nei vari gruppi e gli argomenti proposti possono variare
a seconda del momento, in funzione dell’interesse dello studente e in funzione delle
sue competenze specifiche.
Tipicamente i 3 esperimenti offrono tesi originali sia su argomenti di tipo tecnologico
R&D, costruzione, assemblaggio, test di rivelatori di particelle
Elettronica
Progettazione e scrittura di software (per DAQ e DQM, per programmi
di ricostruzione Off-line ecc.)
Computing (GRID, Cloud ecc)
che su argomenti di tipo piu` prettamente scientifico:
Analisi fisica dei dati (misure di grandezze rilevanti, ricerca di nuove particelle ecc.)
19
In tutti i casi, lo studente ha la possibilita` di apprendere tecnologie e/o tecniche
avanzate utili anche in altri settori (ricerca applicata, industria, ecc.), di sviluppare
senso critico e capacita` di operare autonomamente e in gruppo.
Ha l’opportunita` di interagire con un ambiente internazionale di altissimo livello, e la
possibilita` di collaborare con fisici e ingegneri provenienti da istituti e laboratori di
tutto il mondo.
20
L’ambiente col quale si entrerebbe in contatto e` molto stimolante
(ma anche competitivo), dove i giovani possono acquisire esperienze
e conoscenze fondamentali, e dove e` possibile dare un contributo
personale originale al progetto di ricerca sul quale si lavora.
In poche parole: ci si rende conto di persona di cosa voglia veramente dire
fare ricerca sperimentale in questo campo.
In questo contesto i gruppi di Bologna partecipano con contributi di eccellenza e
con incarichi di responsabilità nei più elevati livelli decisionali degli esperimenti.
21
E infine, una opportunita` per studenti particolarmente motivati
(e con un eccellente curriculum universitario, perche` la competizione e` molto grande)
Stage estivi nei maggiori laboratori internazionali di Fisica delle Particelle.
CERN (Summer Student Program)
DESY (Summer Student Program)
FERMILAB (Summer Student Program)
Programma di scambio di studenti estivi fra USA e Italia patrocinato dal DOE
americano e dall’INFN.
Permette a 11 studenti italiani di svolgere attivita` di ricerca per 2 mesi, durante
l’estate, presso il laboratorio Fermi (Chicago) o presso il laboratorio SLAC di
Stanford (CA).
22
Abbiamo vissuto, e stiamo ancora vivendo, un momento particolarmente eccitante
per il mondo scientifico.
Lo scorso 4 Luglio ha fatto scalpore, non solo nell’ambiente scientifico, l’annuncio,
da parte degli esperimenti ATLAS e CMS, della scoperta di una nuova particella con
una massa di circa 125 GeV che mostra le caratteristiche del tanto ricercato
bosone di Higgs.
23
4 Luglio 2012
Seminario al CERN da parte
dei portavoce degli esperimenti
CMS e ATLAS con l’annuncio
della scoperta.
Grande entusiasmo nella parte di comunita` scientifica riunita a Melbourne per la
piu` importante conferenza dell’anno, in collegamento in diretta col CERN
E grande entusiasmo al CERN naturalmente, durante il seminario.
I fisici italiani hanno giocato un ruolo di primo piano nella realizzazione degli
esperimenti di LHC e nella scoperta del bosone di Higgs.
Vogliamo continuare a mantenere al massimo livello
l’impatto scientifico che l’Italia da tanti anni ha in
questo settore della ricerca di base.
Noi ci siamo…
E voi ?
Back%up(transparencies(
γ
Evento candidato
H
γ+γ
γ
29
Evento candidato
30
H
Zo + Zo
e+e-e+e-
Dalla misura dell’energia e dell’angolo fra i 2 fotoni (γ) si puo` calcolare la massa della
particella prima del decadimento
Numero di
eventi
M = 2 × √ E1 × E2 (1 – cos θ)
Eccesso rispetto
al fondo
Fondo
31
32
Fisica!Astroparticellare!e!del!Neutrino!
Fisica
Astrofisica
ν"
Cosmologia
Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare
!!!Laura!Patrizii!!
!
!!!!!!!
1 1!
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!INFN!Bologna!
Le!domande!
! !Che!cos’è!la!materia!oscura?!
(una%nuova%rivoluzione%copernicana?)%
! C’è!antimateria!primordiale!nell’Universo?!!
(ovvero%com’è%che%oggi%siamo%qui?)%
! Quali!sono!le!sorgenti!dei!raggi!cosmici?!
! Gli!istanti!finali!dell’evoluzione!stellare!
! La!natura!dei!neutrini!!!
2!
!!!Laura!Patrizii!!
!
!!!!!!!
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!INFN!Bologna!
4 Laboratori Nazionali 30 Sezioni presso altrettanti
Dipartimenti di Fisica (attività in stretto contatto con il
mondo accademico)
Esperimenti principali: al CERN, ai LNGS, nello spazio,
sotto il mare, a 4000 m di altezza, nella pampa
argentina..
Le#Sezioni#e#i#
Laboratori#INFN#
!!!Laura!Patrizii!!
http://www.infn.it/
!
!!!!!!!
3!
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!INFN!Bologna!
DOVE?!
!!!Laura!Patrizii!!
4 4!
Laurea Magistrale
! in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare
!!!!!!! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!INFN!Bologna!
I Laboratori Nazionali
del Gran Sasso
5!
!!!Laura!Patrizii!!
!
!!!!!!!
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!INFN!Bologna!
Il#Modello#Standard#delle#particelle#elementari#
A d# o g g i# l e# s o l e#
indicazioni# di# Fisica#
o l t r e# i l# M o d e l l o#
Standard# provengono#
d a l l o# s t u d i o# d e l l e#
proprietà#del#neutrino#
6!
!!!Laura!Patrizii!!
!
!!!!!!!
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!INFN!Bologna!
E’!il!neutrino!l’antiparticella!di!se!stesso?!
ν ≠ ν (Dirac) o ν = ν (Majorana)#
Decadimento beta
Decadimento doppio β
7!
!!!Laura!Patrizii!!
Laurea Magistrale
in Fisica - Curriculum Nucleare e !!!!!!!
Subnucleare
!
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!INFN!Bologna!
Esperimento#CUORE###
ai#Laboratori#del#Gran#Sasso#
Ricerca#del#decadimento#doppioFbeta#senza#neutrini#
del#TeF130##
Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum
Nucleare e Subnucleare!
CUORE Bologna
Contatti
dr. Stefano Zucchelli
[email protected]
Oscillazioni dei neutrini
Un fenomeno che si verifica se m > 0
9
OPERA!!
ai!Laboratori!del!Gran!Sasso!
CERN
GPS
LNGS
Tflight = 2.44 msec
ν"
10!
!!!Laura!Patrizii!!
!
!!!!!!!
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!INFN!Bologna!
Ricerca di comparsa di neutrini oscillati
νµ
Oscillazione
decadimento
ντ"
interazione!del!ντ#
τ
ντ
µ-, h- ,e-
Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare
Contatti per OPERA a Bologna
4
L’Astronomia!con!Neutrini!
 Obiettivo#principale#ricerca#di#sorgenti#dei#Raggi#Cosmici#
Fotoni: interagiscono con la materia e la radiazione
Protoni : deflessi da campi magnetici
Neutroni: non sono stabili γ
n
ν
p
Neutrini:!bassa!sezione!d’urto!!enormi!rivelatori!(~Gton)!
12
12!
!!!Laura!Patrizii!!
!
!!!!!!!
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!INFN!Bologna!
• 12 lines
• 25 storeys / line
• 3 PMTs / storey
• 900 PMTs
Tipico “telescopio” marino:
ANTARES a 2500 m di profondità
(al largo di Tolone,Costa Azzurra)
un!muone!da!1.2!TeV!che!attraversa!il!rivelatore!!
FUTURO :KM3 (rivelatore di 1km3)
un sito probabile al largo della Sicilia
40 km to
shore
Contatti astronomia a Neutrini a Bologna:
dr. Annarita Margiotta
[email protected]
prof. Maurizio Spurio
[email protected]
Junction
Box
Submarine links 13
Come muore una stella:
Collasso gravitazionale
21/4/2010
14
Energia e tempo dei
neutrini rivelati da 3
esperimenti in
occasione della
SN1987A
15
Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare
Rivelazione!di!Neutrini!da!Supernova!!
!LVD!@!LNGS!
νe νe
νµ νµ"
ντ ντ"
99% dell’energia disponibile
(EB ~ 1053 erg) è emessa
sotto forma di neutrini
Contatto LVD a Bologna:
Prof. Gabriella Sartorelli
[email protected]
Il!Lato!Oscuro!dell’Universo!
Elementi pesanti
0,03%
Neutrini
0,3%
Stelle
0,5%
Energia
Oscura
68,3%
Materia
Oscura
26,8%
H ed He liberi
4%
Ignoriamo#di#cosa#sia##fatto#il#
95%##dell’Universo#
Ipotesi corrente: esistono particelle non ancora scoperte che interagiscono debolmente
con la materia ordinaria. Forse è possibile rivelarle attraverso il loro urto con gli atomi della materia ordinaria, ma ci
vuole un rivelatore molto sensibile e riparato dal “rumore di fondo” della radioattività
naturale 17
!L’esperimento!XENON!al!Laboratorio!del!Gran!Sasso!!
tecnica “doppia fase” con Xenon liquido
Il rivelatore XENON100 !
(100 kg LXe) !
è in presa dati al Gran Sasso!
18!
XENON 1T
Contatto XENON Bologna
Prof. Gabriella Sartorelli
([email protected])
!AMS02!
sulla!Stazione!Spaziale!Internazionale,!!
In presa
1!!!!!
In presa dati da Maggio 2011. Primi risultati rilasciati Aprile 2013
La ricerca indiretta della Materia Oscura
Urti!dei!raggi!cosmici!produzione!!di!e+!…!
Urti!di!Materia!OscuraDark!ulteriore!produzione!di!e+!
Questo contributo ulteriore può essere
studiato molto bene da AMS
Altro Obiettivo primario
Ricerca di Anti-materia Primordiale
Contatti AMS Bologna
Prof. Andrea Contin
[email protected]
21
NEutrino SpectrometerS in Europe
Allo studio
NESSiE : Un nuovo esperimento di neutrini al CERN
Sono 3 e solo 3 le famiglie di neutrini?
Alla ricerca dei neutrini “sterili”, ovvero
neutrini che non hanno interazione
“debole” con la materia
Neutrini sterili = Materia Oscura ?
22!
!!!Laura!Patrizii!!
!
!!!!!!!
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!INFN!Bologna!
CERN – SPS –North Area
allo!studio!possibilità!di!un!!
Fascio!di!ν!~!2!GeV!
Near Site
(450 m)
Far Site
(1600 m)
2!Siti!:!Rivelatore!Vicino!a!!~!450!m!dal!bersaglio!
!!!!!!!!!!!Rivelatore!Lontano!~!1600!m!
Obiettivo:!“scoperta”!di!nuova/e!famiglie!di!neutrini!(o!definitiva!
esclusione)!
Contatti
NESSiE R&D a Bologna
Dr. Laura Patrizii
[email protected]
Prof. Maximiliano Sioli [email protected]
Prof. Maurizio Spurio
[email protected]
Alcuni link utili!
Fisica Astroparticellare su http://www.bo.infn.it/
Siti Ufficiali degli esperimenti menzionati
http://operaweb.lngs.infn.it/
http://www.bo.infn.it/lvd/
http://crio.mib.infn.it/wigmi/pages/cuore.php
http://antares.in2p3.fr/
http://nemoweb.lns.infn.it/
http://xenon.astro.columbia.edu/
http://www.ams02.org/
E un sito divulgativo di riferimento
ScienzaGiovane http://www.scienzagiovane.unibo.it/
21/4/2010
Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare
24
“Evidenza” della materia oscura…
Velocita’ di rotazione delle galassie a spirale!
Ipotesi corrente: esistono particelle non ancora scoperte che
interagiscono debolmente con la materia ordinaria. Forse è possibile rivelarle attraverso il loro urto con gli atomi della
materia ordinaria, ma ci vuole un rivelatore molto sensibile e
riparato dal “rumore di fondo” della radioattività naturale “Ricerca” della materia oscura…
I Laboratori INFN del Gran Sasso
L’AQUILA
TERAMO
Tunnel autostradale di
10.4 km
1979!A.!Zichichi,!Presidente#
dell’#INFN,##propone!la!
costruzione!di!un!laboratorio!
sotterraneo!vicino!al!tunnel!
autostradale!
Dove!si!trovano!i!neutrini?!
28!
!!!Laura!Patrizii!!
!
!!!!!!!
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!INFN!Bologna!
Possibili sorgenti di raggi cosmici e ν di altissima energia:
(giganteschi acceleratori cosmici)
Sorgenti galattiche
← Residui di Supernove
Sistemi binari →
attorno a una Pulsar
(stella di neutroni in rapida
rotazione)
o a un Buco Nero
Sorgenti extragalattiche jet di
Buco nero
Nuclei Galattici
Attivi
raggi
cosmici
gas e
polveri
(quasars)
Nube
di gas
disco di
accrezione