Le grandi scoperte
della Fisica
delle Particelle Elementari
Dall’elettrone al bosone di Higgs
Andrea Ventura
Università del Salento & INFN Lecce
26 marzo 2010
Sommario
•
•
•
•
•
•
•
•
•
La prima particella scoperta: l’elettrone
Dai primi modelli atomici alla fisica quantistica
Nuove particelle all’interno dei raggi cosmici
I primi grandi acceleratori
Il proliferare delle particelle e l’ipotesi dei quark
Il Modello Standard e le sue predizioni
Le conferme sperimentali del Modello Standard
Le sfide di oggi: verso il bosone di Higgs?
LHC e l’esperimento ATLAS
Lecce, 26 marzo 2010
A. Ventura
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Verso la scoperta dell’elettrone
• 1795 A. Volta costruì un dispositivo per produrre energia
elettrica da comuni reazioni chimiche.
• 1857 J. H. Geissler inventò un tubo di vetro a pareti
fluorescenti o fosforescenti entro cui introdusse gas a
bassissime pressioni.
• 1860 W. Crookes condusse esperienze con il tubo di
Geissler inserendovi due lamine metalliche,
collegandole ad un generatore di corrente continua ad
elevato potenziale (circa 30.000 V) e produsse luce con
colori diversi al variare del gas.
– Osservò piccoli corpuscoli di materia (raggi catodici) con
carica negativa, poco penetranti, capaci di muovere un
mulinello posto sul loro cammino.
• 1895 J. J. Thomson lavorò sui raggi catodici e applicò
un campo magnetico ed elettrico per calcolare il
rapporto tra la carica elettrica e la massa.
Erano stati così scoperti gli elettroni
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Modello planetario dell’atomo
• 1911 E. Rutherford bombardò una sottile lamina
di oro con particelle positive a, costituite da
atomi di elio privati dei due elettroni. Tali raggi
attraversavano la lamina senza quasi mai
esserne disturbati, salvo un ~1 % che veniva
deviato, anche in modo notevole o addirittura,
completamente respinto
• Rutherford propose un
modello di atomo con
quasi tutta la massa
concentrata in un
nucleo molto piccolo
carico positivamente e
gli elettroni che vi
ruotano attorno
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Modello atomico di Bohr
• Il modello di Rutherford non spiegava lo
spettro di emissione e di assorbimento
dell’idrogeno e la sua stabilità: gli
elettroni, ruotando su orbite, dovrebbero
emettere onde elettromagnetiche e,
perdendo energia, ricadere sul nucleo
• 1913 N. Bohr postulò che gli elettroni
viaggiassero su orbite stazionarie
cedendo/assorbendo energia quando
saltano da un’orbita all’altra
• 1919 A. Sommerfeld perfezionò il
modello di Bohr per spiegare gli spettri
osservati per atomi più complessi.
Nasceva così la Fisica quantistica
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Scoperta del neutrone
• 1930 W. Bothe e H. Becker bombardarono
berillio con particelle a molto energetiche,
producendo radiazione neutra e assai
penetrante.
Be + He C + n
• Due anni dopo F. Joliot e I. Curie scoprirono
che particelle neutre possono espellere protoni
dalla paraffina.
• 1932 J. Chadwick identificò tali particelle come
simili ai protoni, ma senza carica: i neutroni
• I nuclei atomici sono formati da “nucleoni”
(protoni e neutroni) in numero simile.
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Scoperta dell’antimateria
• 1931 A conferma della teoria di P. A. M. Dirac
che prevedeva stati a energie negative (1928),
dallo studio dei raggi cosmici, C. D. Anderson
scoprì il positrone, l’antiparticella dell’elettrone
• Quando una particella e un’
antiparticella interagiscono, si
annichilano producendo energia
2
E
=
2m
c
e
–
e
e+
• Avviene anche il contrario: un
fotone produce una coppia e+e–
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L’ipotesi del neutrino e il muone
• Il neutrone è instabile e si disintegra secondo
–
il cosiddetto decadimento b. Ma energia e n p + e + n
momento non si conservano: servirebbe una
particella senza massa né carica che
giustifichi tale bilancio energetico.
• 1934 E. Fermi e W. Pauli ipotizzarono
l’esistenza del neutrino (ma per molti anni
non vi fu evidenza sperimentale…).
• 1936 Dallo studio delle interazioni dei raggi
cosmici Anderson scoprì una particella non
presente in atomi ordinari: il muone m, con
massa 207 volte maggiore dell’elettrone.
I. I. Rabi commentò “Who ordered that?”
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Scoperta del pione
• Il muone fu ritenuto per oltre 10 anni il mediatore
delle interazioni nucleari previsto da H. Yukawa già
nel 1935. Tuttavia la sua vita media (t~2·10-6 s) è
>> del t atteso per le forze nucleari (t~10-23 s).
• 1947 In emulsioni nucleari esposte ad alta quota
C. Powell osservò eventi con pioni p+ m+ + n
Mentre il m– è assai penetrante, il p– si fa catturare
dal nucleo, come previsto da Yukawa.
• 1956 Scoperto anche il pione
neutro p0, J. Steinberger et al.,
che tipicamente decade in p0gg
m(p+) = 139.57 MeV/c2
m(p0) = 134.98 MeV/c2
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Le particelle “strane”
• Negli anni 1950 dalle interazioni dei raggi cosmici
in camere a nebbia immerse in campi magnetici
si iniziarono a osservare particelle “strane”: hanno
sezioni d’urto tipiche di interazioni forti ma
decadimenti in pioni con vite medie tipiche di
interazioni deboli. Osservazioni di “eventi V”.
• Tali particelle furono chiamate mesoni K, e si
dovette introdurre un nuovo numero quantico
denominato “stranezza” S.
• Intanto la tecnologia necessaria per
costruire acceleratori di particelle in
laboratori avanzava rapidamente.
Si poterono così studiare le particelle
Bevatron (LBL)
protoni su bersaglio fisso
elementari in maniera sistematica!
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Acceleratori: principi di funzionamento
Campo elettrico:
accelera
Campo magnetico:
curva
Il primo ciclotrone fu
costruito da E. Lawrence
a Berkeley nel 1930
Raggio di
ciclotrone
mv
R
qB
• Particelle α decadimenti radioattivi: 1÷5 MeV
• 1939: ciclotrone 1.5 m di diametro: 19 MeV
• Massima energia di un ciclotrone: 25 MeV
• Passo successivo: sincrotrone
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Acceleratori ed esperimenti
• Gli acceleratori possono essere:
– Lineari
– Circolari
• Si caratterizzano per:
– Tipi di particelle accelerate nei fasci (elettroni, positroni, protoni,
antiprotoni, etc.)
– Luminosità istantanea
_
L = f n1n2 / 4psxsy
– Energia s = Ecm nel centro di massa (definisce quali processi
sono ottenibili fino a quella energia)
• Il numero di eventi prodotti in un tempo Dt per un processo
avente sezione d’urto s è: N = L s Dt
• Gli esperimenti hanno tipicamente simmetria cilindrica e
si sviluppano attorno al punto di collisione
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I primi grandi acceleratori
• 1952 BNL (Brookhaven National Laboratory): COSMOTRONE
protoni da 3 GeV, 2000 ton di Fe, 20 m di diametro
Conferma la produzione associata di particelle strane:
p+pK+L
• 1954 LBL (Lawrence-Berkeley Laboratory): BEVATRONE
protoni da 6 GeV, 10000 ton di Fe.
1955 E. Segrè e O. Chamberlain
_
scoprono l’antiprotone in p p p p p p
• 1957 Dubna: SINCROFASATRONONE
protoni da 10 GeV, 36000 ton di Fe
• Negli anni 1950 USA e URSS si rincorrevano
nella sfida alle energie più alte, e l’Europa…?
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La nascita del CERN
• La seconda guerra mondiale aveva mandato l’Europa in
rovina e disperso in USA i migliori fisici europei
• 1950 L’UNESCO approvò una risoluzione cui, due anni
dopo, 11 paesi europei presero parte fondando il CERN
(Consiglio Europeo per la Ricerca Nucleare)
• 1954 Nacque il CERN, tuttora il
laboratorio di particelle elementari
più grande del mondo.
Sito scelto fu Meyrin, un piccolo
paese vicino Ginevra
• 1959 ProtoSincrotrone, 24 GeV,
3200 ton, diametro 200 m
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Tante nuove particelle (troppe!)
• Anche grazie alla ripresa economica internazionale, i nuovi
acceleratori raggiunsero energie sempre maggiori e si
scoprì un numero crescente di particelle: l’antineutrone, gli
iperoni, numerose risonanze e così via.
• Si provò una prima classificazione in barioni (come p e n) e
in mesoni (come p e K), ma sorse il dubbio che tutte
queste nuove particelle non fossero davvero fondamentali.
• Frattanto altri nuovi fenomeni e scoperte sopraggiunsero:
–
–
–
–
1956 Dalla diffusione e-p si provò che il protone ha struttura interna
1956 C. Cowan e F. Reines scoprirono il neutrino elettronico
1958 Si osservarono la violazione di parità P e di carica C
1960 Costruzione dell’AGS al BNL dove si scoprì il neutrino
muonico (1962) e la violazione di CP (1964) nei decadimenti del K0
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L’ipotesi dei quark
• 1962 I tempi erano maturi per formulare
teorie che mettessero ordine allo zoo di
particelle. M. Gell-Mann e Y. Neeman
proposero la “via dell’ottetto”: previdero la
particella W–, scoperta due anni dopo.
• 1964 Per spiegare tale simmetria, detta SU(3),
M. Gell-Mann e G. Zweig idearono un modello
in cui tutti gli “adroni” sono costituiti da quark.
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carica
quarks
+2 e
3
1
– e
3
u
d s
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• “Three quarks for Muster
Mark” – J. Joyce 1939
n • Organizzati in:
p
– Barioni ( qqq )
___
– Antibarioni ( qqq )
_
– Mesoni ( qq ) 16
Riassumendo finora…
• Gli atomi sono costituiti da tre
tipi di particelle
– Elettroni
– Protoni
– Neutroni
• Protoni e neutroni (=nucleoni)
– sono racchiusi nel nucleo (~10-14
m), circondati da elettroni a
distanza assai maggiore (~10-10
m) l’atomo è quasi “vuoto”
– sono fatti di quark, costituenti
ultimi della materia (o finora
considerati tali!), ritenuti
puntiformi, come gli elettroni
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La scoperta dei quark
• 1967 Entra in funzione a Stanford (California)
l’acceleratore lineare di elettroni SLAC:
energia di 20 GeV, lunghezza 3 km.
• Con un esperimento alla Rutherford, si
usarono elettroni provando che i nucleoni
sono costituiti da oggetti puntiformi (i quark)
Tale risultato fu poi provato anche al
CERN utilizzando fasci di neutrini
• A metà degli anni 1960 le particelle
elementari conosciute erano:
– Quark : up, down, strange + le corrispondenti
– Leptoni : e– , ne , m– , nm
antiparticelle
• 1970 Glashow, Iliopulous, Maiani ipotizzarono
un quarto quark: il charm (carica +2/3 e)
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Il Modello Standard
• 1967 S. Weinberg e A. Salam formularono
una teoria unificata dell’interazione elettromagnetica e di quella debole (e con loro
indipendentemente anche S. Glashow).
• La mediazione dell’interazione e.m. è affidata
al fotone (g), neutro e senza massa, quella
dell’interazione debole richiede invece tre
“bosoni” massivi (W+, W–, Z0).
• Per spiegare la massa non nulla dei suddetti
bosoni, la teoria prevede il meccanismo di
Higgs (rottura spontanea della simmetria), da
attribuire a un altro bosone neutro, l’Higgs (H)
tuttora ricercato da tutti gli esperimenti
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Le correnti neutre deboli
• 1973 Al CERN si trovò evidenza di eventi
con scambio di correnti neutre (scambio
di Z0 nelle interazioni di fasci di neutrini)
grazie a una camera a bolle enorme:
quasi 12 m3 di Freon (CF3Br).
Corrente carica debole
Gargamelle
Corrente neutra debole
Ci vollero ancora 10 anni per una prova diretta dei W e dello Z0
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Scoperta del quark c
• 1974 La prima particella contenente il
quark c (charm), di carica +2/3e, fu
scoperta da due gruppi guidati da
S. Ting (BNL) e da B. Richter (SLAC).
• Ting a BNL condusse un esperimento con protoni da 30
GeV collidenti su fascio di berillio: p Be m+m-X: gli eventi
con due muoni furono selezionati e la massa del sistema
m+m– mostrò un picco a 3.09 GeV/c2: ciò fu attribuito a una
particella con charm nascosto, detta J.
• Richter a SLAC diresse
un esperimento
con elettroniPoche
settimane
dopo
anche
a
positroni: e+e– X. La frequenza di tali collisioni aumenta
Frascati
fu scoperta
la J/ arriva a 3.09
notevolmente quando
l’energia
degli elettroni
spingendo
oltre
i propri limiti
GeV. Si ipotizzò in
tal caso la
produzione
di una particella,
+
–
denominata . Adone (collider e e da 3 GeV)
• Le due scoperte riguardavano la medesima particella,
_
battezzata J/, interpretata come uno stato cc.
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Leptoni di una nuova famiglia
• 1975 All’anello collisionare e+e– di SLAC, M. Perl
provò l’esistenza di un leptone carico con massa
~3500 maggiore dell’elettrone e ~17 del muone,
avente vita media di 0.3 ps: il t.
• Perl e il suo gruppo videro 24 eventi con produzione
anomala di leptoni nello stato finale di collisioni e+e–
osservati a SPEAR – Mark I
• Per completare la simmetria
richiesta dal Modello Standard,
occorreva ipotizzare anche il
neutrino della terza famiglia:
il nt .
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Scoperta del quark b
• 1977 Al Fermilab (Chicago) fu scoperto
da L. Lederman et al. un quinto tipo
(o “sapore”) di quark: il b (bottom oppure
beauty), di carica -1/3e.
• Usando un fascio di protoni da 400 GeV
vennero selezionati stati finali con due
muoni: questi mostrarono un picco a
~9.5 GeV,
_ interpretato come uno stato
legato bb, denominato Y (Upsilon)
• Si provò dunque l’esistenza anche
di una terza famiglia di quark. Si
aprì così la caccia al sesto quark:
il top.
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L’interazione forte e i gluoni
• Cosa tiene uniti i quarks per formare gli adroni?
• Primi anni 1970 D. Gross, D. Politzer e F. Wilczek
formularono la CromoDinamica Quantistica (QCD)
una teoria basata su una simmetria SU(3) tra 3
“colori” (rosso, blu, verde), analoga a quella di
“sapore” tra u, d, s, secondo cui i quark sono
tenuti assieme dallo scambio di “gluoni” g,
mediatori dell’interazione forte
• 1979 Numerose prove sperimentali
dell’esistenza dei gluoni
– Eventi con 3 jets prodotti nello stato finale di
interazioni e+e– a DESY (Amburgo, Germania)
agli esperimenti: MarkJ, TASSO, PLUTO, JADE
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L’interazione debole e i bosoni vettori
• 1983 C. Rubbia scoprì i bosoni vettori W e Z0,
mediatori della forza elettrodebole, provando
così la validità del Modello Standard
• Il collider SPS (r=1.1km)
del CERN venne
_
trasformato in SppS (usando protoni e antiprotoni, grazie al
raffreddamento stocastico realizzato da S. van der Meer).
Operò a un’energia di 540 GeV, poi portata a 630 GeV
• Agli esperimenti UA1
e UA2 furono
_
visti eventi tipo pp :
u
→ WX → l nX
→Z→l
l
d
n
W+
e+
+ –
m(W+) = 80.4 GeV/c2
m(Z0) = 91.2 GeV/c2
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UA2
f
f
Z
f
f
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La fisica del LEP
• 1981 Al CERN iniziò la costruzione del LEP
(Large Electron Positron collider).
Lago di
Il programma di fisica (1989-2000)
Ginevra
si basò su 4 grandi esperimenti Opal
Jura
Aleph
aereoporto
9 km
SPS
Delphi
LEP
L3
CERN
Francia
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Svizzera
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Risultati ottenuti al LEP
• LEP ha consentito misure di altissima precisione a
conferma della validità del Modello Standard, ad esempio:
– Misurare la massa del bosone Z0 con accuratezza del 0.002%
– Predire la massa del sesto quark (mt = 18110 GeV/c2)
– Stabilire che il numero di famiglie di neutrini è tre (2.9840.008)
almeno relativamente alle interazioni deboli
• Dopo un primo run a 91 GeV mZc2,
(1.7107 Z0 tra 1989 e 1995) l’energia nel
centro di massa venne portata da 130 fino
a 208 GeV nel 2000, nella speranza di
osservare eventi di Higgs, ma invano…
• Se l’Higgs esiste, la sua massa è
superiore a 115 GeV/c2
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Scoperta del quark top
• 1995 Dopo quasi 20 anni di ricerche vane, agli esperimenti
D e CDF (al Tevatron del Fermilab) vennero trovati eventi
contenenti il sesto quark, il t (top o truth), di carica +2/3e ed
avente massa m 170 GeV/c2
• Le misure di alta precisione su t e W furono complementari
alle misure indirette del LEP
CDF
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A. Ventura
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Scoperta dell’ultimo neutrino
• 2000 Al Fermilab l’esperimento DONUT annunciò la
scoperta del neutrino del tau (nt), completando così la terza
famiglia di leptoni
• La reazione considerata fu
p→bersaglio→XDs→Xtnt→XYnt
• L’identificazione del “tau” fu
complicata dalla sua breve vita
media (~4mm): ciò richiese
l’impiego di emulsioni nucleari, per avere risoluzioni di ~mm
• Gli anni 2000 hanno visto il boom di esperimenti (non solo
agli acceleratori) per lo studio della fisica del neutrino: si è
provato che i n hanno massa non nulla, oscillano, e possono
avere importanti implicazioni astrofisiche e cosmologiche
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A. Ventura
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Premi Nobel che hanno fatto grande
la Fisica delle Particelle
•
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•
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1906
1921
1922
1927
1932
1933
1935
1936
1938
1939
1945
1949
1950
1954
1957
J. J. Thomson
A. Einstein
N. Bohr
A. Compton, C. Wilson
W. Heisenberg
P. Dirac, E. Schrodinger
J. Chadwick
C. Anderson, V. Hess
E. Fermi
E. Lawrence
W. Pauli
H. Yukawa
C. Powell
M. Born, W. Bothe
T. Lee, C. Yang
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• 1959 O. Chamberlain, E. Segrè
• 1965 R. Feynman, J. Schwinger,
S. Tomonaga
• 1969 M. Gell-Mann
• 1976 B. Richter, S. Ting
• 1979 S. Glashow, A. Salam,
S. Weinberg
• 1980 J. Cronin, V. Fitch
• 1984 S. van der Meer, C. Rubbia
• 1988 L. Lederman, M. Schwartz,
J. Steinberger
• 1992 J. Charpak
• 1995 M. Perl, F. Reines
• 1999 G. ‘t Hooft, M. Veltman
• 2004 D. Gross, D. Politzer, F. Wilczek
• 2008 Y. Nambu, M. Kobayashi,
T. Maskawa
A. Ventura
30
Il quadro è completo! (o quasi…)
nt
• Dopo le numerose particelle
scoperte negli ultimi decenni,
con il nt la descrizione dei
costituenti della materia (quark
e leptoni) è al completo!
•
Manca ancora all’appello il bosone di Higgs, responsabile del
meccanismo di attribuzione di massa di tutte le particelle
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A. Ventura
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Ma il Modello Standard basta?
• Il Modello Standard fino ad oggi ha retto a un gran numero
di verifiche sperimentali, pur dovendosi basare su ben 19
parametri liberi. Eppure ancora non risponde a parecchie
domande:
–
–
–
–
–
–
–
Qual è l’origine delle masse delle particelle? Perché mt così alta?
Perché elettrone e protone hanno in modulo la stessa carica?
Perché ci sono tre famiglie di leptoni leggeri, e altrettante di quark?
Il bosone di Higgs esiste?
Perché nell’universo c’è tanta più materia che antimateria?
Le forze elettrodebole e forte sono unificabili alla gravità?
…?
• Il Modello Standard potrebbe essere solo una parte di una
teoria più grande, rivelabile solo a energie maggiori di
quelle viste fino ad oggi (dell’ordine di qualche TeV)
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A. Ventura
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Oltre il Modello Standard
• I fisici negli ultimi decenni hanno formulato vari modelli teorici
per provare a rispondere alle questioni irrisolte, tra i quali…
• La Supersimmetria (SUSY), una tra le più accreditate
• Nuovi bosoni vettori massivi (W/ Z)
• Particelle esotiche long-lived (HV, etc…)
• I micro-buchi neri
• Le Extra-Dimensions
X
q
Z′
q
Y
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A. Ventura
Y
Graviton (G)
p
X
Y
X
p
Recoil
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La sfida di LHC
• Il Large Hadron Collider (LHC) al CERN si propone di
scoprire Nuova Fisica esplorando nuove regioni di energia
• La sua costruzione è iniziata subito dopo LEP (2000)
• Si faranno collidere protoni a 40 MHz
a energie senza precedenti: 7+7 TeV
sette
volte maggiore che al TeVatron!!!
• Luminosità di progetto 1034 cm-2s-1
• Oltre 1600 magneti superconduttori
tenuti a T=1.9K da He superfluido
• Una sfida tecnologica a tutti i livelli
• Dopo la prima circolazione dei fasci (settembre 2008),
LHC ha prodotto le prime collisioni (novembre 2009) e con
l’analisi dei dati ora in corso potremmo essere prossimi ad
ottenere risposte importanti a domande rimaste aperte
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Acceleratori e loro energie oggi
• LHC coi suoi 14 TeV supera le energie mai raggiunte
finora in tutti i maggiori centri con acceleratori di particelle:
– Lo stesso CERN, posto sul confine franco-svizzero vicino a
Ginevra. Qui fu installato il LEP, collider e+e– a 200 GeV.
– Il DESY, ad Amburgo in Germania, ha ospitato l'HERA, che
collideva elettroni o positroni con protoni a 300 GeV.
– Lo SLAC, a Stanford in California (USA), che col suo SLC è
arrivato a far collidere elettroni e positroni fino a 100 GeV.
– Il Fermilab, a Chicago in Illinois (USA), con il Tevatron, che collide
protoni ed antiprotoni a 2 TeV.
– Il Brookhaven National Laboratory, di Long Island (USA), dove si
trova il RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider), che collide ioni
pesanti (come gli ioni d'oro) con dei protoni da 100 GeV.
– I Laboratori Nazionali di Frascati dell'INFN in Italia, dove ha sede
DAΦNE, per la collisione di elettroni e positroni a 1.02 GeV.
Lecce, 26 marzo 2010
A. Ventura
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Gli esperimenti all’LHC
• Gli esperimenti
general-purpose
di LHC sono:
CMS
25 m
ATLAS
(A Toroidal LHC
ApparatuS)
46 m
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(Compact
Muon
Solenoid)
A. Ventura
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Uno sguardo ad ATLAS
Camere per
rivelare muoni
Calorimetro in
avanti
Tracciatore
interno
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A. Ventura
Bobine dei
toroidi del
cilindro centrale
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Dal progetto alla presa dati
Sala di controllo di ATLAS:
Presa dati per tutto il 2010
10 Settembre 2008
Primi fasci in ATLAS
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A. Ventura
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L’avventura sta per cominciare!
• La Fisica delle Particelle Elementari ha compiuto passi
da gigante nell’ultimo secolo: non più l’ingegno di pochi per
esperimenti di breve durata, ma la collaborazione di tante
essere
allamolti
vigilia
persone Potremmo
per progetti lunghi
anche
anni.di
grandi scoperte che potrebbero
• I numeri dell’esperimento
ATLAS:
rivoluzionare
le nostre
– Progettato nel 1992
conoscenze
nel
campo
della
– Oltre 2500 tra fisici, ingegneri e tecnici
fondamentale…
– 170 universitàFisica
e laboratori
di 37 nazioni
–
–
–
–
TENIAMOCI PRONTI !!!
3000 km di cavi, 108 canali elettronici
Misure di precisione fino a ~10 mm
Acquisiti O(1016) bytes di dati all’anno
Temperatura 105 volte maggiore del Sole
corrispondente a 1 ns dopo il Big Bang
Lecce, 26 marzo 2010
A. Ventura
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