il bosone di Higgs

Claudio Luci
Sapienza Università di Roma
e INFN sezione di Roma1
Che cosa è il bosone di Higgs appena scoperto al CERN
Ascoli Piceno 17 novembre 2012
1
L’origine del nome (errato)
Libro scritto nel 1993,
è una sorta di autobiografia
di Lederman
Titolo “originale”:
The goddamn particle
(La particella dannata).
L’editore lo ha cambiato in:
The God particle.
2
Indice









La ricerca dell’atomo di Democrito
Le interazioni fondamentali
I raggi cosmici e lo zoo delle particelle elementari
quark e leptoni
Le teorie di gauge
Il Modello Standard ed il meccanismo di Higgs
La ricerca del Bosone di Higgs
Il CERN, LHC, ATLAS
Trovato (?)
3
Quali sono i
costituenti
elementari
della materia?
Quali sono le forze che
controllano il loro
comportamento al
livello fondamentale?
4
Di cosa sono fatte le cose:
dal complesso al semplice
Partendo dagli stessi componenti elementari:
Si può avere
mattoni
cemento
sabbia e acqua
ferro
legno
Tufo
Tutti gli edifici sono fatti di:
mattoni, cemento, sabbia,
acqua, ferro, legno
5
Dal complesso al semplice

E di cosa sono fatti i mattoni, il cemento, la
sabbia, l’acqua, il ferro, il legno?

I filosofi greci (Empedocle) ipotizzarono che
tutte le cose fossero formate da quattro elementi:
acqua, terra, fuoco e aria.

Democrito ipotizzò che il mattone elementare
comune a tutte le cose fosse l’atomo (indivisibile).
I “chimici”: scoperta degli atomi
• Boyle(1627-91); Gay-Lussac (1778-1850) :
studio delle proprietà dei gas
•Proust (1754-1826): proporzioni costanti
• Lavoisier (1743-94): conservazione della massa
• Dalton(1766-1844): “pesa” gli atomi
• Avogadro(1776-1856): molecole

Dalton, eseguendo degli esperimenti su delle reazioni chimiche, ed
utilizzando i risultati precedenti di altri ricercatori, formula la teoria seguente:
 La materia è formata da particelle indivisibili e indistruttibili: gli atomi
 Atomi di elementi diversi sono diversi tra loro e hanno masse diverse
 I composti sono sostanze pure formate da due o più atomi diversi che si
combinano secondo un rapporto definito
Avogadro: le reazioni chimiche avvengono tra molecole e non tra atomi.
(La molecola è la più piccola aggregazione di atomi di una stessa sostanza).
7
Mendeleyev (1834-1907)
N.B. NON SONO GLI ATOMI DI DEMOCRITO
``QUESTI `` ATOMI SONO OGGETTI COMPOSTI
DA ALTRE PARTICELLE.
LA RICERCA DEGLI ATOMI DI DEMOCRITO
CONTINUA
Tutte le sostanze possono essere descritte in termini di diverse
composizioni di “soli” 105 atomi.
A intervalli regolari si presentano elementi con proprietà chimiche analoghe
8
L’atomo di Rutherford
Tutta la massa dell’atomo è
concentrata nel nucleo con gli
elettroni che ruotano intorno ad esso
legati dalla forza elettromagnetica.
Il nucleo è costituito da protoni e
neutroni. Essi sono tenuti insieme dalla
forza nucleare forte.
[Protoni e neutroni sono formati da
quark (scoperti negli anni ’60).]
elettrone
nucleo
La materia è composta da elettroni, protoni e neutroni
-10
Dimensioni dell’atomo ~ 10 m Gli atomi si distinguono tra loro dal
-14
Dimensioni del nucleo ~ 10
m numero di protoni che possiedono
Problema: l’atomo di Rutherford spiega la diffusione delle
particelle α, però è instabile. Non può esistere.
Soluzione: meccanica quantistica (1927).
9
E le forze?


10
Alcune forze
• forza di gravità
• forza di attrito
• tensione della corda
• reazione vincolare normale
ancora:
• forza elastica (molla)
• ``forza’’ adesiva (colla)
• forza elettrostatica
• forza magnetica (calamita)
• …. e molte altre
MA QUANTE SONO?
11
Newton: prima unificazione
Forza gravitazionale
m1  m2
F=G
r2
F = mg
[ N.B. m è la massa (gravitazionale) di un corpo]
Problema: interazione a distanza
12
Seconda unificazione: Maxwell
Forza elettrostatica
Forza magnetostatica
Equazioni di Maxwell
(inserimento della corrente di
spostamento)
Luce
Forza elettromagnetica
Predizione delle onde elettromagnetiche, rivelate poi da Hertz
Problema: necessità dell’etere per la propagazione delle onde e.m.
N.B. tutte le forze di contatto e le reazioni chimiche sono13
manistazioni delle forza elettromagnetica.
Torniamo al nucleo: forza forte
• Rutherford scopre il protone (1919)
• Il nucleo deve avere tanti protoni quanti sono gli elettroni
• Il nucleo contiene la massa di tutto l’atomo (mp=1836 • me)
NON VA BENE! Il nucleo sarebbe troppo leggero.
La massa dei protoni è circa la metà della massa dell’atomo
Deve esserci qualcos’altro dentro il nucleo
IPOTESI: particella simile al protone ma senza carica: il neutrone.
1932: scoperta del neutrone (Chadwick).
Il nucleo è composto da protoni e neutroni.
DOMANDA: che cosa tiene insieme i protoni
dentro il nucleo? La forza elettrostatica respinge i
protoni uno dall’altro.
RISPOSTA: forza forte.
14
Un’altra forza: forza debole

1896: scoperta della radioattività naturale
I raggi gamma sono fotoni
(interazione e.m.)
I raggi alpha sono
nuclei di elio
(interazione forte)
I raggi beta sono elettroni
(interazione debole)
(in presenza di un campo megnetico)
 Il decadimento beta trasforma un elemento in un altro
14
6
C147 N  e  ν
15
Decadimento β: il sogno di Cagliostro
• Un nucleo si trasforma in un altro emettendo un elettrone (radiazione β)
Ex :
14
6
C147 N  e
• Problema: non si conserva l’energia, la quantità di moto e il momento angolare.
Soluzione: W.Pauli ipotizzò che un’altra particella neutra, senza massa, venisse
emessa insieme con l’elettrone (1930).
Ex :
14
6
C147 N  e  ν
• E.Fermi: formulò teoria del decadimento β e chiamò la nuova particella neutrino.
Il fenomeno elementare è il decadimento del neutrone.
n pe ν
• La forza responsabile del decadimento è la forza debole.
16
Problema: interazioni a distanza
Soluzione: avvengono tramite lo scambio di una particella mediatrice
• Le particelle di materia interagiscono a distanza scambiandosi una particella
mediatrice della forza
• La teoria (quantistica) che descrive le interazioni tra particelle deve tener conto
dello scambio di questa particella.
Interazione elettromagnetica
p + + e-  p + + eIl mediatore è il fotone
(quanto del campo
elettromagnetico).
Il fotone ha massa nulla,
quindi il raggio di azione
della forza e.m. è infinito
N.B. risolto il problema dell’etere. Le onde elettromagnetiche sono costituite da
fotoni, i quali possono propagarsi tranquillamente anche nello spazio vuoto
(anzi, seguendo Democrito, si propagano SOLTANTO nello spazio vuoto).
Dove eravamo nel ~1935?
• Gli atomi sono formati da tre particelle elementari: elettrone, protone e neutrone.
• Ipotesi del neutrino (rivelato sperimentalmente nel 1954)
• Vi sono 4 forze fondamentali tramite le quali le particelle interagiscono:
- forza forte: agisce sui nucleoni (adroni). Range ~ 10 -15m
- forza e.m.: agisce sulle particelle cariche. Range infinito.
-15
Range
~
10
m
- forza debole: agisce su tutte le particelle.
- forza gravitazionale: agisce su tutte le particelle. Range infinito.
• Scoperta del positrone (anti-elettrone) nel 1932, ipotizzato da Dirac nel 1928.
• Scoperta del mesotrone, particella prevista da Yukawa nella teoria della forza forte.
AVEVAMO CAPITO TUTTO (O QUASI!)
19
I raggi cosmici
• Furono scoperti da V.Hesse nel 1912.
Sono costituiti da 86% protoni, 12% α
ed il restante 2% da altri nuclei.
• Scoperta del positrone (1932)
• Scoperta del mesotrone (1937) identificato
poi da Conversi, Pancini e Piccioni nel 1947
essere in realtà il muone, una replica pesante
dell’elettrone m  210  me e τ  2.2 10-6 s
• Scoperta del π nel 1947, seguita dalla scoperta
di particelle “strane”, qualcuna più pesante del
protone.
Studiare i raggi cosmici era difficile: esperimenti in alta quota, flusso ed energia
non controllati. Si volle riprodurre allora l’interazione primaria in laboratorio
accelerando protoni (o elettroni) e facendoli collidere con dei bersagli fissi.20
Facciamo una pausa
21
I fisici e la montagna
Amaldi (1927)
Edoardo Amaldi a Campo Imperatore (1926)
Amaldi è uno dei ragazzi
di Fermi ed è il ``padre’’
del CERN e dell’INFN
Tessera del CAI
di Amaldi
22
I fisici e la montagna
Assicurato dall’alto dai
fratelli Salvadori, Edoardo
Amaldi in arrampicata
(Dolomiti di Cortina
d’Ampezzo, agosto 1927)
Edoardo Amaldi e
Enrico Ciaranfi sulla
cengia della via
Chiaraviglio al Corno
Piccolo del Gran Sasso,
settembre 1927
Enrico Persico sugli sci.
Di lui si diceva scherzosamente che avesse
inventato lo "sci
adiabatico", per la lentezza con cui riusciva a scendere da qualunque23pendio.
I fisici e la montagna
Enrico Fermi fa del "bouldering"
sotto lo sguardo critico di Edoardo
Amaldi e Enrico Persico. Estate
1938, ultime vacanze in gruppo
prima della promulgazione delle
leggi razziali, a San Martino di
Castrozza
Edoardo Amaldi, Gilberto Bernardini e
Ettore Pancini al laboratorio della Testa
Grigia, al Plateau Rosa sopra Cervinia.
24
Torniamo a lavorare
25
Come si creano nuove particelle
Quando due particelle elementari
(elettrone, protone, pione, etc…)
urtano tra di loro ed hanno energia
sufficiente, possono produrre nuove
particelle che prima dell’urto non
esistevano.
E=
Esempio:
2
mc
p+n→p+p+π-
(il neutrone si trasforma in un protone ed un pione negativo)
N.B. Nell’urto vanno rispettate alcune leggi di conservazione: energia, carica,
momento angolare, numero barionico, numero leptonico, parità, etc…
26
Acceleratori: principio di funzionamento
Campo elettrico:
accelera.
Campo magnetico:
curva
Unita di misura energia: eV
Primo ciclotrone costruito da
E.Lawrence a Berkeley nel 1930
R
mv
Raggio di ciclotrone
qB
-Particelle α decadimenti radioattivi: 1÷5 MeV
- 1939: ciclotrone 1.5 m di diametro: 19 MeV.
-Massima energia di un ciclotrone: 25 MeV
- Prossimo passo: sincrotrone
27
E l’uomo creò i raggi cosmici
• 1952: BNL (Brookhaven National Laboratory, Long Island), COSMOTRONE
Protoni da 3 GeV. 2000 Ton. di ferro. 20 m di diametro.
Conferma la produzione associata delle particelle strane.
π  p  K  Λ (conservaz ione della stranezza nelle interazion i forti)
•1954: LBL (Lawrence-Berkeley Laboratory, California), BEVATRONE
Protoni da 6 GeV. 10000 Ton. di ferro.
E. Segrè scopre l’antiprotone (premio Nobel nel 1959).
p  p  p  p  p  p (conservaz ione del numero barionico)
• 1957: Dubna, SINCROFASATRONONE. 10 GeV, 36000 Ton. di ferro!
Per andare ad energie più alte occorreva un’idea per ridurre la quantità di ferro
dei magneti. Livingston inventa il focheggiamento forte (1952).
28
Il CERN entra in gioco
Il CERN è il laboratorio europeo per la fisica delle particelle fondato nel
1954, vicino Ginevra, grazie anche ad Edoardo Amaldi.
• 1959: CERN, ProtoSincrotrone PS, 24 GeV, 3200 Ton., diametro 200 m
• 1960: BNL, AGS, 33 GeV, 4000 Ton., diametro 257 m
Inizia il “boom economico” anche per la fisica delle particelle. Dapprima
nei raggi cosmici, e poi con i nuovi acceleratori, vengono scoperte molte
nuove particelle, troppe. C’è molto lavoro anche per i fisici teorici.
E.Fermi ad un suo studente (L.Lederman): “ragazzo, se fossi in grado di ricordare il
nome di tutte queste particelle, sarei diventato un botanico”.
La prima risonanza scoperta da Fermi nel 1953 a Chicago, la Δ, suggerisce
che il protone potrebbe non essere una particella fondamentale
29
E vennero ... i quark!
• Per mettere ordine nello zoo di particelle, Gell-Mann e Neeman, proposero
uno schema di classificazione basato su delle simmetrie (SU(3)), che
chiamarono : “la via dell’ottetto”.
• La via dell’ottetto prevedeva una nuova particella (1962), Ω-, scoperta nel 1964.
• Per spiegare la simmetria, Gell-Mann e Zweig, ipotizzarono che le particelle
soggette all’interazione forte fossero composte da particelle elementari.
Gell-Mann chiamò le nuove particelle: “quark”.
“Three quarks for Muster Mark” – James Joice’s Finnegans Wake
quark
carica
stranezza
up
+2/3 e
0
down
-1/3 e
0
strange
-1/3 e
-1
n
I quark sono oggetti molto bizzarri
con carica frazionaria. C’era molta
riluttanza nell’accettarli.
Barioni: 3 quark
Mesoni: un quark ed un antiquark
30
p
Gli atomi di Democrito
(Visto!)
31
Torniamo alla Teoria
32
Cosa deve fare la ``teoria’’?
 deve calcolare sezioni d’urto, cioè la probabilità che in un
urto tra due particelle si abbia un dato stato finale
esempio: e  e      
 deve calcolare larghezze parziali, cioè la probabilità che
una particella decada in un dato stato finale.
esempio: Z      
Dato che al massimo la probabilità può essere uno (certezza assoluta), se un
calcolo da come risultato della probabilità un numero maggiore di uno,
vuol dire che la teoria è sbagliata (violazione dell’unitarietà)
N.B. se le predizioni teoriche non sono in accordo con le
misure sperimentali, la teoria non è corretta.
33
Invarianza di gauge
 In m.q. lo stato di un sistema è descritto da una funzione d’onda:
(x, t )
 il modulo quadro della funzione d’onda esprime la probabilità di
trovare il sistema in un certo stato
probabilita ' | (x, t )|2

La probabilità non cambia se moltiplico la funzione d’onda per un
``fattore di fase `` (invarianza di gauge)
(x)   '(x) =eiQ  (x)

Quando si ``costruisce’’ una nuova teoria, occorre rispettare
l’invarianza di gauge (e di tutte le altre simmetrie della natura).
34
Elettrodinamica quantistica (QED)
 Nel 1947 Feynman, Schwinger e Tomonaga risolvono il
problema degli infiniti nella QED. Si dice che la teoria
diventa rinormalizzabile.

La teoria deve essere invariante per una trasformazione di
gauge locale. Per fare ciò si deve introdurre una derivata
covariante ed un bosone di gauge (il fotone), che diventa il
mediatore dell’interazione elettromagnetica.

L’interazione tra il fotone e l’elettrone viene incorporata
nella teoria in maniera automatica.
Si cerca di applicare la stessa tecnica dell’invarianza di gauge alle
interazioni forti e alle interazioni deboli, ma con maggiore difficoltà
35
Unificazione elettrodebole
La teoria dimalissimo.
Fermi delle interazioni deboli va bene a basse
E invece
energie, ma ad alte energie ``diverge’’.

Per risolvere il problema si cercò di unificare le interazioni
deboli con la forza elettromagnetica.

Nel 1961 Glashow, nella sua tesi di dottorato, propose un
modello basato sulla simmetria di gauge locale:
Il modello funziona solo se tutte le
SU(2)  U(1)
particelle, fermioni e bosoni di gauge,
 Il modello prevede l’esistenza di 4 bosoni di gauge:
hanno
massa
nulla,
altrimenti
si
rompe
W , W e Z per le interazioni deboli ed il fotone per
elettromagnetica.
la l’interazione
simmetria
di gauge.Benissimo.
L
+
Y
-
36
Non si riesce a trovare il modo di
dare massa alle particelle senza
violare la simmetria di gauge
37
Meccanismo di Higgs


Finché nel 1964 arrivano i nostri:
Brout-Englert, Higgs e Guralnik-Hagen-Kibble
Pubblicano dei lavori sulla rottura spontanea di una
simmetria continua, invariante per una trasformazione di
gauge locale (teorema di Goldstone più bosoni di gauge)
L 
1
 
2



  
1 2 2 1
    4
2
4
La Lagrangiana è simmetrica, ma la
scelta di un qualsiasi stato
fondamentale rompe la simmetria.
V (1, 2 )
2
1
N.B. Dalla Lagrangiana si ricavano le equazioni del moto
38
Arriva Weinberg: il Modello Standard
 Nel 1967 Weinberg applica il meccanismo di Higgs alla


teoria elettrodebole di Glashow e …
… avviene il miracolo. I fermioni (cioè i costituenti della
materia) ed i bosoni di gauge (cioè i mediatori delle interazioni deboli più il fotone) acquistano massa (il fotone rimane
senza massa) e la teoria non rompe l’invarianza di gauge.
Però … rimane un problema. L’applicazione di questo
meccanismo prevede l’esistenza di una particella neutra a
spin 0, la cui massa non è prevista:
il bosone di Higgs
Inizia la caccia ai bosoni W, Z e H
39
Lagrangiana elettrodebole completa

Lagrangiana elettrodebole invariante per trasformazione di gauge:
g'


L   L   i    gI  W ( x )  Y  B   L   R 
2



Aggiungiamo alla Lagrangiana quattro campi scalari reali φi per dare massa
ai bosoni di gauge tramite il meccanismo della rottura spontanea della
simmetria.

L  D

g'


i


Y

B
 R  Lfree (W , B)




2

  D           


2


2
Aggiungiamo alla Lagrangiana un’interazione tra i fermioni ed il campo φ
per dare massa ai fermioni:
L  ge L eR  eR L 
L  gd Lq dR  guLquR + herm. con.
Che cosa è questo campo φ? BOH!
40
Il Nobel di Rubbia
• Nel 1976 entrò in funzione al CERN l’SPS, un acceleratore di protoni da
400 GeV, 2 km di diametro. L’energia non era però sufficiente per produrre W
e Z, la cui massa stimata era di 80÷90 GeV.
• L’idea di Rubbia fu di trasformare l’SPS in un
Collisore protone-antiprotone, seguendo quanto
era stato fatto a Frascati con Adone, il collisore
e+e- dove particella e antiparticella girano nello
stesso anello in senso contrario.
• Il problema era avere un numero sufficiente di antiprotoni idonei da far collidere
con i protoni (risolto da S.van der Meer con il raffreddamento stocastico).
- (270 + 270 GeV).
• Nel 1978 parte il progetto SppS
• Nel 1983 furono prodotti i primi W e Z rivelati nei detector UA1 (Rubbia) e UA2.
1984: premio Nobel a Rubbia e van der Meer
LHC
• Le ricerche di Lep, un collider e+e- , concluse nel 2000, hanno messo un
limite inferiore alla massa del bosone di Higgs (114 GeV).
• Nel dicembre 1994 il CERN approva ufficialmente la costruzione di LHC
(Large Hadron Collider). Si tratta di un collisore protone-protone con magneti
superconduttori di 8 T, da istallare nel tunnel del LEP.
• Obiettivo principale di LHC: scoperta del bosone di Higgs.
• LHC è entrato in funzione a dicembre 2009. Nel 2010 e 2011 ha funzionato
con un’energia del centro di massa di 7 TeV (quella di progetto è di 14 TeV).
• I fasci di protoni si incrociano con una frequenza di 40 MHz (ogni 25 ns).
• Sul collisore vi sono due esperimenti principali (ATLAS e CMS), più due
esperimenti ``specializzati’’ (LHCb e ALICE) ed altri due ``piccoli’’
esperimenti (TOTEM e LHCf).
• LHC è stata una sfida tecnologica a tutti i livelli, pari al progetto Manhattan o
allo sbarco sulla Luna, ma con mezzi e organizzazione completamente diversi.
42
LHC: vista aerea
Lake of
Geneva
CMS
Jura
aereoporto
9 km
SPS
ATLAS
LHC
Alice
CERN
Francia
Svizzera
LHCb
I dipoli di LHC
1233 dipoli principali
14.3 m di lunghezza ognuno
8.33 Tesla (max nel ferro 2 T)
11.7 kA (bobina superconduttrice)
Le bobine superconduttrici sono
raffreddate a 1.9 K (la radiazione di
fondo cosmica è a 2.7 K).
LHC è il punto più freddo
dell’universo.
44
Dipoli di LHC nel tunnel
45
ATLAS
Precisione meccanica nella
costruzione e allineamento delle
camere a muoni: 20 μm!
25
m
46
m
Nell’esperimento ATLAS lavorano circa
3500 fisici di tutto il mondo.
46
ATLAS: fotomontaggio
47
Bosone di Higgs: trovato?
Ad una massa di 125 GeV c’è un eccesso di eventi spiegabili con la
creazione di una nuova particella, forse il bosone di Higgs.
48
Il bosone di Higgs spiegato da D. Miller
 Per questa spiegazione Miller ha vinto una bottiglia di
champagne offerta da Lord Waldegrave (ministro
della Scienza Britannico nel 1993).
Campo di Higgs

Una celebrità entra in una stanza e tutti gli vanno
intorno per parlargli, in modo tale che lui ha difficoltà
49
a muoversi (acquista massa)
Il bosone di Higgs spiegato da D. Miller
 A volte nella stanza (campo di Higgs) non entra
nessuno, ma si diffonde un pettegolezzo
Bosone di Higgs

Un pò di gente può raggrupparsi per discutere del
pettegolezzo. Questo è l’equivalente del bosone di Higgs
che acquista massa grazie allo stesso meccanismo. 50
Conclusioni
• I costituenti fondamentali della materia sono i leptoni e i quark!
• Le interazioni fondamentali sono 4: forte, e.m., debole e gravitazionale.
L’interazione e.m e l’interazione debole sono “descritte” dalla medesima teoria,
il Modello Standard (le interazioni forti sono descritte dalla QCD).
Abbiamo (forse) trovato il bosone di Higgs, quindi il meccanismo di Higgs è
corretto. (Servono più dati per misurare le proprietà della nuova particella)
Non sappiamo ancora cosa sia questo campo di Higgs che permea tutto
l’universo. Abbiamo un altro etere?
• Altre domande ancora senza risposte, ad esempio:
- l’uguaglianza della carica elettrica del protone e dell’elettrone,
- perché esistono tre famiglie di particelle
- perché vi è una netta separazione tra “fermioni” e “bosoni”
- dove è finita l’antimateria
51
GRAZIE A TUTTI
… e spero di non avervi annoiato troppo
52