ALICE:
in cerca del Little Bang
Martino Gagliardi
Università & INFN Torino
1
Mi presento
• Prof. Associato presso il Dipartimento di Fisica dell’Università di Torino, dove insegno
Fisica degli acceleratori di particelle e Laboratorio di fisica nucleare e subnucleare
• Membro dell’esperimento ALICE dal 2005
• Ho vissuto a Ginevra (sede del CERN) dal 2008 al 2012 e dal 2013 faccio avanti e
indietro Torino - Ginevra per conciliare ricerca e insegnamento
2
Sommario
• l’infinitamente piccolo,
• l’infinitamente grande...
• ... e il loro incontro in ALICE
+ altre cose interessanti qua e là
3
l’infinitamente piccolo
4
> 1026 m
> 1026 m
~ 1021 m
> 1026 m
1021 m
~ 1011 m
> 1026 m
1021 m
1011 m
102 m
> 1026 m
1021 m
1011 m
102 m
1,70 m
> 1026 m
1021 m
1011 m
102 m
1,70 m
10-5 m
> 1026 m
1021 m
10-8 m
1011 m
102 m
1,70 m
10-5 m
> 1026 m
1021 m
10-10 m
1011 m
102 m
1,70 m
10-5 m
10-8 m
atomo d’idrogeno
Atomo
Nucleo
La parola «atomo» viene dal
greco e vuol dire
«indivisibile»
Elettroni
Ogni elemento chimico è contraddistinto dal suo atomo
Dimensioni: da 0,0000000001 m (elio) a 0,0000000007 m (cesio)
L’atomo è tenuto insieme dalla forza elettromagnetica che lega nucleo (positivo) a elettroni (negativi)
13
Nucleo
Protoni
(carica elettrica
positiva)
Neutroni
(elettricamente
neutri)
Protoni e neutroni prendono
il nome di «nucleoni»
Dimensioni: da 0,000000000000002 m (idrogeno) a 0,000000000000015 m (uranio)
Il nucleo è tenuto insieme dalla forza nucleare forte che lega i nucleoni
14
Dentro i nucleoni: i quarks
Protoni e neutroni
sono a loro volta formati da oggetti
che (al giorno d’oggi) si pensano
essere fondamentali: i quarks.
Nei nucleoni si trovano due tipi di
quarks: up e down
protone
neutrone
15
Dentro i nucleoni: i quarks
Protoni e neutroni
sono a loro volta formati da oggetti
che (al giorno d’oggi) si pensano
essere fondamentali: i quarks.
Nei nucleoni si trovano due tipi di
quarks: up e down
Le cariche elettriche dei quarks sono
frazionarie e nei nucleoni si sommano
per dare 0 o 1
protone
I quarks nei nucleoni sono tenuti insieme dalla forza nucleare forte
neutrone
16
Quarks: l’origine del nome
Three quarks for Muster Mark!
Sure he has not got much of a bark
And sure any he has it's all beside the mark.
J. Joyce, Finnegans Wake
17
1896
Thomson
1910
1932
1964
Rutherford
Chadwick
Gell-Mann
e Zweig
18
Dalla punta all’iceberg: il modello Standard
• quanto visto finora è solo una parte di un «cosmos» complesso e variamente popolato, che riassume
quanto di più fondamentale sappiamo sulla natura: il Modello Standard
• secondo questo modello:
- esistono due famiglie di particelle di materia elementari: i quarks e i leptoni
- a ogni particella corrisponde una anti-particella di uguale massa ma con carica e altre proprietà «opposte»
- esistono quattro forze fondamentali che regolano l’interazione fra particelle
- ogni interazione avviene mediante scambio di ulteriori particelle «mediatrici» della forza
- (new entry!) le particelle acquistano la loro massa interagendo con il bosone di Higgs,
che completa quindi il Modello Standard
19
Dalla punta all’iceberg: il modello Standard
Le particelle fondamentali interagiscono: decadono, si annichilano, reagiscono a forze
legate alla presenza di altre particelle.
Ci sono quattro interazioni tra le particelle:
L’interazione tra particelle avviene attraverso lo
scambio di una particella mediatrice della forza.
Queste particelle vengono emesse e riassorbite
dalle particelle interagenti
Forza
Intensità rel.
Raggio d’azione
Nucleare forte
1
~10-15 m
Elettro-magnetica
10-2
Infinito
Nucleare debole
10-13
~10-18 m
Gravità
10-40
infinito
19
Le particelle elementari
Generazione
Tre particelle elementari
(u,d, e) della prima
generazione compongono la
materia ordinaria (nuclei,
atomi)
Particelle di materia
Particelle mediatrici
Nota: in questo schema manca il mediatore della forza di gravità («gravitone») in
quanto la sua esistenza è stata solo ipotizzata
Le particelle della seconda e
terza generazione vengono
prodotte in reazioni di vario
tipo (e.g. all’interno delle
stelle o in laboratorio) e
tendono a decadere
(interazione nucleare debole)
in frazioni di secondo,
lasciando spazio ai loro
«fratelli» più leggeri
21
Le particelle elementari
Generazione
Forza nucleare forte,
mediata dai gluoni
Forza elettromagnetica,
mediata dai fotoni (e.g. luce)
Forza nucleare debole,
mediata da W e Z
Particelle di materia
Particelle mediatrici
Nota: in questo schema manca il mediatore della forza di gravità («gravitone») in
quanto la sua esistenza è stata solo ipotizzata
22
Oltre che formare i nucleoni, i quarks possono
aggregarsi a formare altre particelle (instabili),
dette adroni, che vengono osservate nelle reazioni
stellari o negli esperimenti di fisica delle particelle.
Ci sono due tipi di adroni:
Barioni:
formati da tre quarks
Mesoni:
Formati da un quark e da un anti-quark
Quiz: i nucleoni sono barioni o mesoni?
23
Oltre che formare i nucleoni, i quarks possono
aggregarsi a formare altre particelle (instabili),
dette adroni, che vengono osservate nelle reazioni
stellari o negli esperimenti di fisica delle particelle.
Ci sono due tipi di adroni:
Alcuni barioni
Barioni:
formati da tre quarks
Mesoni:
Formati da un quark e da un anti-quark
Quiz: i nucleoni (cioè i protoni o i neutroni)
sono barioni o mesoni?
Alcuni mesoni
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Una legge misteriosa..
• A differenza di tutte le altre particelle elementari (di materia e mediatrici),
i quarks non sono mai stati osservati in natura!
• Abbiamo prova solo indiretta della loro esistenza:
- le regolarità tra le proprietà degli adroni suggeriscono che esista una struttura interna ad essi
che si ripete con regolarità (analogamente agli elementi chimici nella tavola periodica!!)
- inoltre, se bombardati con altre particelle, gli adroni si comportano come particelle composte
25
Una legge misteriosa..
• A differenza di tutte le altre particelle elementari (di materia e mediatrici),
i quarks non sono mai stati osservati in natura!
• Abbiamo prova solo indiretta della loro esistenza:
- le regolarità tra le proprietà degli adroni suggeriscono che esista una struttura interna ad essi
che si ripete con regolarità (analogamente agli elementi chimici nella tavola periodica!!)
- inoltre, se bombardati con altre particelle, gli adroni si comportano come particelle composte
• I quark sembrano obbedire a una misteriosa
legge che li tiene prigioneri negli adroni
26
.. e il colore delle particelle
• I quark sono legati dalla forza nucleare forte
• La proprietà dei quark alla base della forza nucleare forte è detta
carica di colore
• Il colore è l’analogo «nucleare» della carica elettrica, ma ne esistono
tre specie (colori: Red, Green, Blue) e relativi anti-colori (per le anti-particelle)
• I colori dei quarks nelle particelle si combinano sempre
in modo da annullare il colore totale
Barioni: R+G+B = 0 Mesoni: B+anti-B = 0 (e simili)
• Anche i gluoni (particelle mediatrici della forza) hanno carica di colore
• Protoni e neutroni (e tutti gli altri adroni) sono particelle «bianche»
ma sono fatte di (e interagiscono mediante) oggetti colorati
Protone
• Sembra che la natura abbia scelto il bianco, relegando il colore all’interno degli adroni
27
Il confinamento dei quarks
I quarks sono confinati negli adroni (nell’esempio un mesone)
e i loro colori si combinano in maniera da annullare il colore
totale del sistema
+
=
28
Il confinamento dei quarks
Tra i due quarks esiste un campo di forza nucleare che può essere
visualizzato come una «stringa» di gluoni colorati
29
Il confinamento dei quarks
All’aumentare della distanza tra due quarks, cresce anche il campo di forza tra di essi
30
Il confinamento dei quarks
Prima che il legame tra i due quarks si dissolva, il campo di forza si «materializza» in
una nuova coppia quark-antiquark che si combinano con i quarks originari in modo
da creare due nuovi mesoni «bianchi»
31
La liberazione dei quarks?
• Le legge del confinamento ci dice che a grandi distanze la forza attrattiva tra i quarks aumenta
• Cosa succede se invece portiamo i quarks a piccole distanze tra di loro?
la forza dell’interazione diminuisce (libertà asintotica, predetta dalla teoria dell’interazione nucleare forte)
• Per il principio di indeterminazione di Heisenberg (meccanica quantistica all’opera!) un sistema in cui i quarks si
«vedono» a piccole distanze è un sistema dove avvengono grossi scambi di energia
32
La liberazione dei quarks?
• Le legge del confinamento ci dice che a grandi distanze la forza attrattiva tra i quarks aumenta
• Cosa succede se invece portiamo i quarks a piccole distanze tra di loro?
la forza dell’interazione diminuisce (libertà asintotica, predetta dalla teoria dell’interazione nucleare forte)
• Per il principio di indeterminazione di Heisenberg (meccanica quantistica all’opera!) un sistema in cui i quarks si
«vedono» a piccole distanze è un sistema dove avvengono grossi scambi di energia
Forza
dell’attrazione
tra quarks
Scambio di energia
Distanza
33
Idea: creando un sistema ad alta densità di quark e/o di energia
(«temperatura»), deve essere possibile creare uno stato deconfinato della
materia nucleare, dove i costituenti fondamentali sono i quarks e i gluoni
colorati e non più gli adroni bianchi
Quark Gluon Plasma
Densità
QGP
Adroni
Temperatura
34
35
36
La transizione di fase e la temperatura critica
170 MeV
~1012 °C
La teoria prevede che, a basse densità, la
temperatura critica per la transizione al QGP sia di
circa 1000000000000 °C
37
Ma di che temperature stiamo parlando?
Fiamma ossidrica
1000 °C
Centro del Sole
10000000 °C
QGP
1000000000000 °C
38
Ricapitolando
• I quarks sono una delle due famiglie di particelle di materia che compongono l’universo. A
differenza dei leptoni, sono soggetti alla forza nucleare forte.
• I quarks si trovano nei protoni e neutroni che formano il nucleo atomico, e in altre particelle
(adroni) di natura più instabile.
• Insieme ai gluoni (particelle mediatrici della forza nucleare forte), i quarks obbediscono alla legge
del confinamento, che li tiene relegati negli adroni impedendo loro di esistere come particella
singola.
• La teoria predice che aumentando l’energia («temperatura») di un sistema di adroni si possano
infine liberare i quarks, creando un Plasma di Quark e Gluoni
39
l’infinitamente grande
40
Dal oggi al Big Bang in una slide
• La storia dell’universo si conta a partire dal Big Bang, misterioso evento di cui si sa poco e che segna il
limite oltre cui non è dato sapere
• L’idea è che tutto l’universo fosse concentrato in un punto dello spazio tempo (o forse, che anche lo
spazio e il tempo fossero concentrati in quell’unico punto), e il Big Bang segna l’inizio di un’espansione
ancora in atto oggi
• Si conta che ad oggi siano passati circa 14 miliardi di anni dal Big Bang
• Le prime stelle si sono formate 300 milioni di anni dopo il Big Bang
• I primi atomi si sono formati 400000 anni dopo il Big Bang
• I primi nuclei si sono formati 3 minuti dopo il Big Bang
41
Dal oggi al Big Bang in una slide
• La storia dell’universo si conta a partire dal Big Bang, misterioso evento di cui si sa poco e che segna il
limite oltre cui non è dato sapere
• L’idea è che tutto l’universo fosse concentrato in un punto dello spazio tempo (o forse, che anche lo
spazio e il tempo fossero concentrati in quell’unico punto), e il Big Bang segna l’inizio di un’espansione
ancora in atto oggi
• Si conta che ad oggi siano passati circa 14 miliardi di anni dal Big Bang
• Le prime stelle si sono formate 300 milioni di anni dopo il Big Bang
• I primi atomi si sono formati 400000 anni dopo il Big Bang
• I primi nuclei si sono formati 3 minuti dopo il Big Bang
• I protoni e i neutroni si sono formati 0,0001 secondi dopo il Big Bang
• I primi adroni si sono formati 0,000001 secondi dopo il Big Bang
E prima cosa c’era?
42
Tutto l’universo si trovava nella fase di QGP
fino a un milionesimo di secondo dopo il Big Bang
43
Fondo cosmico di microonde
(prima radiazione elettromagnetica
rivelabile)
Fine della «dark age», inizio dell’era
accessibile con i telescopi
La fase dell’evoluzione dell’universo che ha portato
dal QGP alla formazione dei protoni e neutroni (e da
lì alla materia come la conosciamo ora) si può
rappresentare con la linea rossa nel diagramma qui a
fianco!
44
Esiste ancora il QGP nell’universo?
• Le stelle di neutroni sono le più piccole e dense stelle esistenti
nell’universo attuale
• Sono formate da neutroni, tenuti insieme attrazione gravitazionale
• Si formano a seguito del collasso di stelle ordinarie. Spesso
rappresentano la fase successiva a una supernova.
• Hanno dimensioni di pochi chilometri ma masse paragonabili a quella del
Sole!
• Un cucchiaino da the di stella di neutroni pesa come la piramide di Giza!
La stella di neutroni PSR B1509-58
45
Esiste ancora il QGP nell’universo?
• Le stelle di neutroni sono le più piccole e dense stelle esistenti
nell’universo attuale
• Sono formate da neutroni, tenuti insieme attrazione gravitazionale
• Si formano a seguito del collasso di stelle ordinarie. Spesso
rappresentano la fase successiva a una supernova.
• Hanno dimensioni di pochi chilometri ma masse paragonabili a quella del
Sole!
QGP?
• Un cucchiaino da the di stella di neutroni pesa come la piramide di Giza!
• Date queste condizioni di densità, parecchi
studiosi hanno
avanzato l’ipotesi che, almeno nel nucleo più interno,
la materia nucleare che compone una stella di
neutroni si trovi nella fase di QGP!
46
Ricapitolando
47
Possiamo ricreare nell’infinitamente piccolo le condizioni dell’universo primordiale?
48
Possiamo ricreare nell’infinitamente piccolo le condizioni dell’universo primordiale?
• Ricetta: creare un sistema ad alta densità di energia
• Ingredienti:
- particelle ricche di materia nucleare, es. nuclei di elementi pesanti (ioni)
- un acceleratore in grado di accelerare queste particelle alla più alta energia
possibile, e di farle scontrare
- un apparecchio in grado di rivelare i prodotti dell’urto, e di ricostruirne le proprietà
49
Il Little Bang
50
Il Little Bang
51
Il Little Bang
52
Il Little Bang
53
Il Little Bang
54
Il Little Bang
55
Il Little Bang
A Large Ion Collider Experiment
57
Big Bang
Little Bang
Presente = t0+3×10-23 secondi
Presente = t0+13.7×109 anni
Diametro finale = 30 m
radiazione
cosmica
di fondo
QGP
tempo
Diametro = 93×109 anni-luce, ~8.8×1026 m
t0
gas
adronico
QGP
• Proprio come il nostro universo, la
«goccia» di QGP creata in laboratorio si
espande e si raffredda, scendendo ben
presto sotto la temperatura critica
Little Bang
Presente = t0+3×10-23 secondi
• La dimensione della «goccia» di QGP e è
di circa 10-15 m e la sua durata prima del
raffreddamento è di circa 10-23 s
• Questo significa che nei nostri rivelatori
non vedremo mai i quarks deconfinati,
ma delle particelle ordinarie prodotte
nella fase «fredda» del sistema
• La sfida è risalire, a partire dagli «indizi»
presenti nello stato finale, all’esistenza e
alle caratteristiche della fase di QGP
gas
adronico
tempo
Ma tra il dire e il fare...
QGP
t0
I primi acceleratori di ioni pesanti
1991
• AGS - Brookhaven (USA)
• Collisioni di ioni Si e Au
• Energia della collisione = 5.4 109 eV
• SPS - CERN (Svizzera)
• Collisioni di ioni O, S, In, Pb
• Energia della collisione = 17 109 eV
Il primo a raggiungere la temperatura critica!
Relativistic Heavy Ion Collider (USA)
• RHIC - Brookhaven (USA)
• Collisioni di ioni Au, Cu
• Energia della collisione = 200 109 eV
61
Large Hadron Collider (LHC)
•
•
•
•
LHC - CERN (Svizzera)
Collisioni di ioni Pb
Energia della collisione = 5000 109 eV
Il più potente mai costruito!
•
LHC è una macchina per accelerare
particelle microscopiche: protoni e nuclei
(ioni)
•
Queste particelle viaggiano in direzioni
opposte dentro due tubi circolari lunghi 27
km, a una profondità media di 100 m
sottoterra
•
In 4 punti diversi di questo percorso si
fanno scontrare le particelle
Energia cinetica:
Usain Bolt vs un nucleone a LHC
Usain Bolt:
Ek = ½ m v2
m = 80 kg
v = 100 m / 10 s = 10 m/s
Ek = 4 kJ
Nucleone:
Ek = 5 1012 eV = 5 x 1012 x 1.6 x 10-19 J = 7 x 10-7 J
Ma quello che conta è la densità di energia
63
Dipoli: 1232 magneti oguno lungo 35 m e pesante 35 tonnellate
Distanza giornaliera percorsa dagli ioni: viaggio andata/ritorno Terra-Nettuno
Temperatura all'interno degli anelli: -271,30 °C (1,9K – il punto più freddo
dell'Universo) ottenuti con 700000 litri di elio liquido
Velocità ioni: 99,99997% della velocità della luce
Numero di giri/secondo degli ioni: 11245
CERN
CERN
LHC
SPS
Il Large Hadron Collider
Aeroporto
di
Ginevra
CMS
LHCb
ALICE
ATLAS
Sito esperimento ALICE
ALICE : 60 m sottoterra
ALICE: A Large Ion Collider Experiment
Lunghezza: 26 metri
Altezza: 16 metri
Peso: 10,000 tonnellate
̴ 1300 persone
̴ 130 istituti
̴ 40 nazioni
69
ALICE nel mondo
Inner tracking
system
Magnete
Dipolo
Calorimetro a
zero gradi
Camere di
trigger
muonico
72
Ricostruzione del vertice e tracciamento
• Rivelatori al silicio posti vicino al punto di interazione
rivelano la posizione del vertice
• Importante per distinguere vertici primari da secondari (decadimenti)
• Una grande camera di tracciamento
(Time Projection Chamber)
fornisce la traiettoria della particella.
• Dal raggio di curvatura R e conoscendo il campo
magnetico B si ottiene il momento della
particella (prodotto di massa per velocità)
73
Ricostruzione del vertice e tracciamento
• Rivelatori al silicio posti vicino al punto di interazione
rivelano la posizione del vertice
• Importante per distinguere vertici primari da secondari (decadimenti)
• Una grande camera di tracciamento
(Time Projection Chamber)
fornisce la traiettoria della particella.
• Dal raggio di curvatura R e conoscendo il campo
magnetico B si ottiene il momento della
particella (prodotto di massa per velocità)
74
Identificazione di particelle
75
Eventi Piombi-Piombo in ALICE
Collisioni “periferiche”
Collisioni “centrali”
76
Ma quindi come si osserva il QGP?
Le tecniche di estrazione dei segnali del QGP sono molte, e molto diverse tra loro
Si distinguono però in due grandi classi:
1) Tecniche «geologiche» (soft probes)
Si osservano le distribuzioni in posizione e velocità
della particelle «fredde» prodotte e da queste
si risale alle proprietà della «goccia»
che le ha generate, proprio come un geologo
risale alle proprietà della pietra lavica
a partire dalla sua stratificazione!)
Questo tipo di osservazioni ha portato
alla conclusione che la materia nucleare deconfinata si comporta
più come un liquido che come un gas
77
Ma quindi come si osserva il QGP?
QGP
Le tecniche di estrazione dei segnali del QGP sono molte, e molto diverse tra loro
q
Si distinguono però in due grandi classi:
q
J/ψ
2) Tecniche «radiologiche» (hard probes)
q
q
Si utilizzano delle particelle «sonda» (es. J/ψ)
che attraversano il mezzo creato.
L’effetto del mezzo sulla produzione
di determinate particelle permette di risalire alle
sue proprietà (stesso principio dei raggi X)
(J/ψ trovate) /
(J/ψ attese)
Centralità
78
Sommario (1)
• I mezzi tecnologici della nostra era ci
permettono di ricreare le condizioni
dell’universo un milionesimo di
secondo dopo il Big Bang
• Lo studio di questa «zuppa»
primordiale è complesso ma
affascinante, e procede soprattutto
grazie all’entusiasmo di ricercatori,
spesso giovani, spesso italiani,
spesso precari.
• Ci sono tante altre cose di cui avrei
voluto parlare oggi, ma non ho
avuto tempo
79
Sommario (2)
• Ci sono tante altre cose di cui avrei voluto parlare oggi, ma non ho avuto tempo
- di come a volte si sono scoperte cose importanti che non si stavano cercando (serendipity)
- delle ricadute tecnologiche della ricerca fondamentale, per esempio nel campo della medicina
- della vita in sala di controllo di un esperimento, dell’ambiente internazionale e collaborativo,
degli svaghi e degli aneddoti che rendono tutto più umano
- di quando ci hanno installato il calcetto per ottimizzare le «pause tecniche»
- di quando il telefono suona alle 2 di notte perché qualcosa si è rotto, e prima ancora di capire
cosa sia successo sei in macchina verso ALICE
- dell’arduo confronto tra la fonduta valdostana e quella savoiarda
- ....
Grazie per l’attenzione!!!!
80
Serendipity
Serendipity means a "fortunate happenstance" or "pleasant surprise".
It was coined by Horace Walpole in 1754. In a letter he wrote to a friend, Walpole explained
an unexpected discovery he had made by reference to a Persian fairy tale, The Three
Princes of Serendip. The princes, he told his correspondent, were “always making
discoveries, by accidents and sagacity, of things which they were not in quest of”.
(Wikipedia)
81
Serendipity:
una misura della simmetria tra materia e anti-materia
• La massa di un nucleo è sensibile all’energia di legame tra protoni e neutroni
che lo compongono:
mN = # protoni * mp + # neutroni * mn - ε
•
L’effetto dell’energia di legame sulla massa del nucleo è una conseguenza diretta della
teoria della relatività (E = mc2)
•
Nuclei e anti-nuclei di 2H (deuterio) e 3He (trizio) vengono prodotti con una certa frequenza in collisioni
Pb-Pb a LHC
•
Grazie alla risoluzione dei rivelatori di ALICE, è possibile effettuare una misura di precisione della loro
massa
•
Se vi fosse una differenza tra la massa di un nucleo e quella di un antinucleo, questo
rivelerebbe una diversa energia di legame, quindi un diverso comportamento di
materia e antimateria nelle interazioni nucleari!
82
Serendipity:
una misura della simmetria tra materia e anti-materia
• Le masse di nuclei e anti-nuclei
sono compatibili entro gli errori
Nucleo
• Miglioramento di 1-2 ordini di
grandezza della precisione della
misura rispetto a misure
precedenti (del 1965!)
• Una delle misure di ALICE
che verrà ricordata più a
lungo, e non ha nulla a che
vedere col QGP!
Antinucleo
Differenza di massa /massa
83
Grazie!
84
Backup
85
Tracciamento nella TPC
86
Tracciamento e identificazione di muoni
I muoni interagiscono più debolmente con la materia rispetto
alle altre particelle
-> il modo migliore di identificarli è l’utilizzo di assorbitori che
fermino le altre particelle
-> rivelatore dedicato ai muoni nella regione in avanti
(spettrometro per muoni)
87
Misura della centralità dell’urto
• The centrality of the collision is one of the most important parameters: it can be
quantified by the impact parameter (b)
• Small b central collisions
- Many nucleons involved
- Many produced particles
• Large b peripheral collisions
- Few nucleons involved
- Few produced particles
A Torino sono stati
costruiti i
calorimetri a zero
gradi che misurano
la centralità
mediante l’energia
dei nucleoni
spettatori
88
