La ricerca
dell’ Arché
dalla
fisica
classica
alla
“particella
di Dio”
The Search For the Higgs Boson
Mary Ann Kluth - 2008
Lo spirito primordiale dei filosofi presocratici:
L’Essere si mostra ai primi pensatori
nella sua totalità e semplicità
Essi cercano l’arché (il principio) per
interpretare la Physis (natura), cioè il Tutto.
L’arché è il principio da cui tutte le cose si generano, è la causa
del divenire del mondo. Regola il passaggio dal Chaos al Kosmos
Talete
Anassimandro
Eraclito
Pitagora
Democrito
Nella filosofia successiva il tutto di popola:
So di non
sapere
Esiste una
realtà
immutabile
Ciò che
pensiamo
è reale!
I sensi ci
ingannano
La conoscenza
ha i suoi limiti !
Qui è
tutto da
rifare
La filosofia naturale di Newton
1687
Da questa opera ricomincia la rincorsa alla
comprensione del tutto.
I nuovi Fisici cercano
le leggi (gli arché) che regolano e spiegano
i fenomeni naturali (Metodo scientifico)
La filosofia naturale di Newton
I principi della Meccanica
La teoria della Forza Gravitazionale
Principio di inerzia
Principio fondamentale
F ma
Principio di
azione e reazione
m1
Fg
r
Fg
m2
m1m2
Fg G
r2
con qualche problema !
Coulomb
1789
Forza elettrostatica
+
q1
Fe
Fe
-
q2
Fe
+
+
q1
Fe
-
q1
q1
q1q2
Fe K
r2
-
q2
Fe
Fe
Nm 2
K
8,987 10
4
C2
1
8,854 10
9
12
C2
Nm 2
Nei lavori pubblicati tra il 1789 ed 1790
Coulomb formula anche un teoria delle
interazioni dei poli magnetici
Alla fine del XVIII secolo si delineava il
quadro teorico per la comprensione e la relazione
tra le tre forze che regolavano le interazioni tra i corpi
r
m1
+
m2
q1
Fe
Fe
-
q2
1800
con Volta
Inizia l’era dell’ELETTRICITA’
Oersted
1821
Aveva scoperto l’ELETTROMAGNETISMO!
Restava da risolvere il problema dell’azione a distanza!
rr
F
g
m1
m1
F
g
m1
rr
+
+
+
q1
q1
q1
m2
m2
-
-
q2
q2
m2
-
q2
Faraday
La soluzione:
Il campo di forza
Fe
+
q1
+
q1
q2
Maxwell
La teoria del campo elettromagnetico viene formulata
dal fisico scozzese Maxwell nel 1864.
Le 4 equazioni di Maxwell
( E)
q
( B) 0
i
d ( B)
C(E)
dt
d ( E )
C ( B ) (i
)
dt
War es ein Gott der diese Zeichen schrieb ? (Boltzmann citando Goethe)
Maxwell previde l’esistenza delle onde elettromagnetiche.
La luce è un’onda elettromagnetica!
Nel vuoto la sua velocità è
1
0 0
Fine ottocento
Il proliferare dei risultati scientifici dell’800
portarono ad inaspettate convergenze !
Gravitazionale
2 campi di forza
Elettromagnetismo
Elettromagnetico
Ottica
Meccanica + Statistica = Termodinamica
WOW !
Un momento …
ma di cosa è fatta
la materia ?
Facciamo un passo indietro ..
Partendo dalle 3 leggi fondamentali della Chimica
Conservazione
della massa
Proporzioni
definite
Proporzioni
multiple
(Lavoiser)
(Proust)
(Dalton)
Nel 1803 Dalton aveva
rispolverato la teoria
dell’atomo.
La stessa Chimica compie grandi
progressi nel corso del secolo.
La tavola periodica di Mendelev
Nel 1868 Mendelev inizia a pubblicare i
suoi principi di Chimica con le informazioni
sui 63 elementi chimici allora noti.
Li sistemò nella famosa tavola periodica
prevedendo l’esistenza di altri 3
Una buona idea.
Può funzionare !
Fine dei giochi ?
Alla fine dell’800 le principali teorie per la comprensione
della natura sembravano oramai definite.
Le teorie della
FISICA CLASSICA
funzionavano a
dovere ed erano
sufficientemente
amalgamate !
La CHIMICA aveva
scavato nella
struttura della
materia arrivando
ai mattoncini
fondamentali.
Restava da sistemare qualche dettaglio !
Ad
es.
La struttura interna degli atomi !
Le proprietà dell’etere !
Un dettaglio: i raggi catodici
Nel 1838 Faraday aveva scoperto un fenomeno di
luminescenza all’interno di un tubo con aria molto
rarefatta in cui era applicata una differenza di potenziale:
.
Di cosa erano composti i
raggi catodici ?
Un indizio: si formano per
effetto di una d.d.p. !
Una evoluzione dei raggi catodici (CRT)
fu utilizzata, in seguito,
nell’invenzione della televisione
La scoperta dell’elettrone
Nel 1895 Thomson scopre che i raggi catodici sono
composti da piccole particelle cariche: gli elettroni.
Ipotizzò anche un primo
modello atomico
In seguito inventò lo spettrometro di massa con cui calcolò il
rapporto tra carica e massa (e/m) dell’elettrone.
La misura della carica dell’elettrone e = -1,6 · 10-19 C sarà
fatta da MILLIKAN nel 1910 col suo famoso esperimento
della gocciolina d’olio:
La struttura dell’atomo
Sarà un brillante allievo di Thomson: Rutherford ad
ipotizzare nel 1911 una struttura più soddisfacente
(per i suoi tempi!)
2011
CENTENARIO !
Raggi X e radioattività
Ma il 1895 non è solo l’anno della scoperta dell’elettrone !
Nello stesso anno Röntgen
utilizzando i raggi catodici
scopre che l’anodo emette delle
radiazioni misteriose chiamate,
appunto, raggi X.
L’anno successivo, Becquerel scopre accidentalmente la
radioattività.
I coniugi Curie
scopriranno negli anni
successivi nuovi
elementi radioattivi
come il Tellurio, il
Polonio, il Radio
Nuovo enigma !
La materia, in determinate
condizioni, emette delle radiazioni !
neutro
positivo
negativo
Perché vengono emesse ?
Perché alcune hanno una carica ?
Rutherford utilizzerà le particelle alfa per
scoprire che l’atomo presenta un piccolo
nucleo centrale.
Ma il quadro non era ancora completo
per dare una risposta alle domande !
Inizio 900
Intanto siamo entrati nel nuovo secolo !
I fisici non erano impegnati solo nella
comprensione della struttura dell’atomo!
Nuove fondamentali scoperte e teorie
trasformeranno radicalmente la disciplina !
Un altro dettaglio da sistemare!
Lo spettro di emissione del CORPO NERO!
La teoria classica
prevede che il
corpo emetta una
quantità infinita di
energia!
L’ipotesi del quanto di energia
Ma il 1901 Max Planck, senza molta convinzione,
risolve il problema del corpo nero.
Per riuscirci deve fare un’ipotesi rivoluzionaria:
Gli atomi assorbono ed emettono
radiazioni in modo discontinuo, per quanti
di energia, cioè quantità di energia finite e
discrete.
Entro qualche decennio si svilupperà la
E = hf
Meccanica
quantistica-ondulatoria
( = quanti + onde + probabilità!)
La rivoluzione einsteiniana
Nel 1905 Albert Einstein pubblica, tra gli altri, la
Teoria della RELATIVITA’ RISTRETTA
In poche decine di pagine … con solo due postulati …
Modificherà radicalmente i
concetti di spazio e tempo
Supererà il concetto di etere assumendo che
la luce possa muoversi anche nel vuoto ..
.. con la stessa velocità rispetto ad un
qualsiasi osservatore inerziale !
Introdurrà la fondamentale equivalenza:
MASSA = ENERGIA
E = mc2
=
Appunto!
Tutto arriva
da lì
Una nuova teoria della Gravitazione
Nel 1915 Albert Einstein pubblica la
Teoria della RELATIVITA’ GENERALE
La forza gravitazionale viene interpretata
come una conseguenza della curvatura
dello SPAZIO-TEMPO!
Negli anni che seguirono
Einstein lavorò
inutilmente ad una Teoria
unificata dei campi che
combinasse la gravità
con l'elettromagnetismo
.
Anni 30: verso una teoria stabile dell’atomo
Spinti dai nuovi risultati della Meccanica Quantistica Rutherford e
Bohr, ipotizzarono che il nucleo dell’atomo contenesse delle
particelle neutre
Chadwick scopre il neutrone nel 1932 !
Fedele alla teoria dei quanti, il
modello di Bohr, prevede
l’emissione dei quanti di energia da
parte degli elettroni nei salti di
orbitale!
Conferma
sperimentale:
gli spettri di
emissione ed
assorbimento delle
sostanze !
Torniamo
all’atomo, per
favore!
La nascita della fisica nucleare
Il nuovo problema era
capire la stabilità del
nucleo che conteneva
protoni che dovevano
respingersi ..
che emetteva delle
radiazioni ..
naturali o artificiali
Enrico
Fermi e i
Via
Panisperna
boys
Un momento ci sono anch’io.
Mi chiamano il neutrino
perché sono piccolino
(forse non ho nemmeno
una massa) e neutro!
Inoltre Hahn e Meitner
scoprono la
fissione nucleare !
Le forze nucleari
La spiegazione dei fenomeni connessi al nucleo atomico
passava per l’introduzione di due nuovi campi di forza !
Le forze nucleari forte e debole rendevano stabile e
soddisfacente il modello del nucleo atomico !
Però le forze in natura erano passate,
in un sol colpo, da due a quattro !
Il mediatore della forza forte
Nel 1935 Yukawa pubblica i suoi studi sul
campo di forza forte
I suoi studi, in accordo con le nuove teorie
quantistiche, giustificano il corto raggio del campo
nucleare forte ..
con l’introduzione di una particella mediatrice
responsabile della forza tra i due nucleoni!
Tale particella, dovendo
avere una massa
intermedia tra l’elettrone
e il protone fu chiamata
mesone.
?
La particella caduta dal cielo
Negli anni seguenti, nello studio dei raggi cosmici,
cioè particelle ad alta energia provenienti dallo
spazio, effettivamente venne scoperta una
nuova particella che aveva più o meno la
massa del mesone di Yukawa!
Dopo una serie di esperimenti si confermò che
tale particella non poteva essere il mesone
cercato perché non interagiva con i nuclei
atomici !
Il rilevatore: la camera a
nebbia di Wilson!
La nuova particella fu
chiamata mesone µ o
muone
Il mesone di Yukawa fu
trovato qualche tempo
dopo e prese il nome
di mesone o pione
Chi l’ha
ordinata ?
Nasce la fisica delle particelle
Negli stessi anni iniziò l’era degli
acceleratori di particelle.
Schema di un ciclotrone di
Lawrence
E vennero fuori
decine di
particelle
elementari !
A cosa servono
?!?!
L’antimateria di Dirac
Nel 1928 Dirac aveva pubblicato un
fondamentale lavoro sulla meccanica
quantistica applicata alle particelle ad alta
velocità (relativistica).
L’equazione di Dirac descriveva il moto
delle particelle ..
prevedeva anche soluzioni ad energia negativa !
Ogni particella deve avere una antiparticella
con la stessa massa e carica opposta !
Anderson scopre il positrone nel 1932.
Altre antiparticelle veranno scoperte negli
anni 60.
Lo spin delle particelle
Un corpo che ruota intorno ad un asse ha un
momento angolare dato dal prodotto
vettoriale tra il vettore posizione rispetto
all’asse e la quantità di moto.
In meccanica quantistica, lo spin è il momento
angolare intrinseco delle particelle.
Gli studi sullo spin delle particelle
(Pauli ed altri), all’interno della
meccanica quantistica, portarono
ad importanti risultati:
La divisione delle particelle in:
FERMIONI – (spin = ½)
BARIONI – (spin intero)
Il principio di esclusione di Pauli
Spiega la disposizione degli elettroni
due fermioni identici non
possono occupare
simultaneamente lo stesso
stato quantico.
negli orbitali atomici!
Un elettrone può assumere solo due
stati quantici
(due orientamenti dello spin!)
Riassumiamo ..
Gli anni 30 del secolo scorso sono stati anni rivoluzionari:
Completamento dello sviluppo della Meccanica Quantistica
(anche in campo relativistico)
Formulazione di un modello atomico soddisfacente
Con l’introduzione delle forze nucleari e dei mediatori delle forze
a livello microscopico si aveva a disposizione una
interpretazione del nucleo atomico
Ma non mancavano i problemi !
Troppe particelle “strane” erano state scoperte !
Erano stati scoperti i mediatori del campo elettromagnetico
(fotoni) e del campo nucleare forte (pioni).
Mancava una teoria degli altri due campi
Perché l’Universo sembra fatto solo di materia ?
Gli anni 50
Negli anni 50 nasce il CERN ..
.. ed inizia la competizione
per la costruzione di
acceleratori di particelle ..
Al Cern BernarsLee nel 1989
inventa il web!
verso energie sempre maggiori !
Verso il modello standard
Nel 1964 Murray Gell-Mann e George Zweig
ipotizzarono che assolutamente tutte le
particelle note all'epoca potessero venire
spiegate come combinazioni di
3 sole particelle fondamentali.
Nasce l’ipotesi dei quarks!
“Three quarks for Muster Mark!”
La caratteristica rivoluzionaria
dell'idea era quella di assegnare
ai quark cariche elettriche di 2/3
e -1/3 (rispetto alla carica del
protone):
Ma tre quarks non bastavano !
(Finnegans Wake di Joyce)
Si passò in seguito a 6 quarks
distinti per il loro “sapore” !
Un protone,
composto di
due quark up e
un quark down
Infine ..
Negli anni 60 - 70
gli studi di fisica teorica
portarono ad una
classificazione delle
particelle elementari
Modello standard - 1
Scoperto
nel
1995
al
Fermilab
Formano
gli
adroni.
Formano
materia
stabile !
Con
massa
elevata.
Formano
particelle
instabili !
Modello standard - 2
Modello standard - 3
A livello
microscopisco
le due forze
sono riunite
in un solo
campo
elettrodebole
Teoria
confermata al
Cern nel 1982
Il problema della massa
Nella formulazione delle equazioni del modello standard ..
.. si doveva risolvere un altro problema ..
Perché le particelle hanno masse così diverse ?
Perché alcune particelle non hanno massa ?
In ultima analisi .. sappiamo che la massa è anche
energia .. ma come fanno le particelle ad acquisirla ?
Che complicati questi fisici moderni !!!!
Il campo di Higgs - 1
Lo spazio contiene un CAMPO SCALARE
detto CAMPO di HIGGS
Il BOSONE di HIGGS è il mediatore di questo campo
In analogia con gli altri mediatori (ad es il fotone) esso
viene generato quando il campo viene perturbato!
Il meccanismo con cui le
particelle acquistano massa è
regolato da una complessa
teoria di
rottura di simmetria.
Il campo di Higgs (cartoon)
All’improvviso arriva in sala professori il prof.
Man
SiSiimmagini
manoloche
la sala
il prof.
deiOrtenzia
professori
avanza
del Liceo
viene
crea
stesso
tipo
di aggregazione,
ma
Allo
stessoed
modo
sei colleghi
invece
dia entrare
nella
Ortenzia
invita
prendere
un
accerchiato
Salvemini
dai
piena
colleghi
di
professori
entusiasti
che
per
la
questa
volta
tra
i professori
stessi.
sala docenti
viene
solo
annunciato
l’arrivo del
caffè
al bar.
(Arrivo
di una particella)
proposta.
chiacchierano
Ciò
crea
a
resistenza
bassa
voce.
al
suo
(Il prof.
bosone
di Higgs)
Ortenzia
.. altri prof.
L’arrivo crea
l’attenzione
degli
E’ come
movimento
lo spazio
e gli
riempito
fa acquisire
dal Campo
una massa.
di Higgs
Il Big Bang
The search for “The Higgs”
NEL 2012 E NEL 2013 IL CERN HA PUBBLICATO GLI
ULTIMI DATI SUGLI ESPERIMENTO ATLAS E CMS CON
MIGLIAIA DI EVENTI OSSERVATI
LA CONFERMA DELLA SCOPERTA
DEL BOSONE DI HIGGS E’ STATA CONVALIDATA
DALL’ASSEGNAZIONE DEL PREMIO NOBEL PER
LA FISICA A HIGGS E ENGLERT IL 10 /12 / 2013
AL CERN CONTINUANO GLI
STUDI SUL RUOLO DEL BOSONE
NELLA FORMAZIONE
DELL’UNIVERSO
Modello Standard e Archè
Il modello standard, oramai
COMPLETATO E CONVALIDATO,
è l’Archè, la teoria del tutto ?
Il modello standard
PURTROPPO IL
MODELLO STANDARD
SPIEGA SOLO IL 5% DELLA
MATERIA NOTA
NEI MODELLI COSMOLOGICI
MANCA ALL’APPELLO MATERIA
(27%) ED ENERGIA (68%)
OSCURE DALLE ORIGINI IGNOTE!
Oltre il Modello Standard
Non esiste una
teoria quantistica
della gravitazione!
Descrive le particelle elementari
Spiega la stabilità degli atomi
La natura della
materia e
dell’energia
oscura
dell’Universo
(90%)
Descrive l’antimateria
Spiega due dei tre campi di forze
a livello quantistico
Il mistero
della scomparsa Giustifica la massa delle particelle
dell’antimateria
Modello Standard
Differenze
marcate
tra i campi
forte e debole
Gennaio 2014 al Cern:
Primo atomo di
antimateria
Supersimmetria (?) – Teoria delle stringhe (?)
La ricerca riparte ..
In primavera i motori dell’LHC ripartiranno
alla strabiliante energia di 14 TeV
Si potranno ricreare le condizioni
dell’Universo appena un decimo di
miliardesimo di secondo dopo il BIG BANG
Alla ricerca delle nuove particelle previste,
ad esempio, dalla supersimmetria quali
SQUARK, FOTINI, NEUTRALINI ..
Fondamentale l’apporto di 1500
giovani ricercatori italiani
capitanati da
Fabiola Gianotti e Guido Tonelli
Conclusioni
La nostra conoscenza, se
paragonata alla realtà, è
primitiva e infantile.
Eppure è il bene più
grande di cui
disponiamo.
(Albert Einstein)
Non il possesso della
conoscenza, della verità
irrefutabile, fa l’uomo di
scienza, ma la ricerca
critica, persistente e
inquieta, della verità
(Karl Popper)
