Grandi scoperte agli acceleratori
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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 2 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 Lecce, 26 marzo 2010 A. Ventura 3 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 4 Lecce, 26 marzo 2010 A. Ventura 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 Lecce, 26 marzo 2010 A. Ventura 5 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. Lecce, 26 marzo 2010 A. Ventura 6 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– Lecce, 26 marzo 2010 A. Ventura 7 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?” Lecce, 26 marzo 2010 A. Ventura 8 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 Lecce, 26 marzo 2010 A. Ventura 9 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! Lecce, 26 marzo 2010 A. Ventura 10 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 Lecce, 26 marzo 2010 A. Ventura 11 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 Lecce, 26 marzo 2010 A. Ventura 12 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…? Lecce, 26 marzo 2010 A. Ventura 13 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 Lecce, 26 marzo 2010 A. Ventura 14 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 Lecce, 26 marzo 2010 A. Ventura 15 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. Lecce, 26 marzo 2010 carica quarks +2 e 3 1 – e 3 u d s A. Ventura • “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 Lecce, 26 marzo 2010 A. Ventura 17 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) Lecce, 26 marzo 2010 A. Ventura 18 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 Lecce, 26 marzo 2010 A. Ventura 19 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 Lecce, 26 marzo 2010 A. Ventura 20 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. Lecce, 26 marzo 2010 A. Ventura 21 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 . Lecce, 26 marzo 2010 A. Ventura 22 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. Lecce, 26 marzo 2010 A. Ventura 23 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 Lecce, 26 marzo 2010 A. Ventura 24 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 Lecce, 26 marzo 2010 UA2 f f Z f f A. Ventura 25 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 Lecce, 26 marzo 2010 Svizzera A. Ventura 26 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 Lecce, 26 marzo 2010 A. Ventura 27 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 Lecce, 26 marzo 2010 A. Ventura 28 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 Lecce, 26 marzo 2010 A. Ventura 29 Premi Nobel che hanno fatto grande la Fisica delle Particelle • • • • • • • • • • • • • • • 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 Lecce, 26 marzo 2010 • 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 Lecce, 26 marzo 2010 A. Ventura 31 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) Lecce, 26 marzo 2010 A. Ventura 32 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 Lecce, 26 marzo 2010 A. Ventura Y Graviton (G) p X Y X p Recoil 33 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 Lecce, 26 marzo 2010 A. Ventura 34 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 35 Gli esperimenti all’LHC • Gli esperimenti general-purpose di LHC sono: CMS 25 m ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) 46 m Lecce, 26 marzo 2010 (Compact Muon Solenoid) A. Ventura 36 Uno sguardo ad ATLAS Camere per rivelare muoni Calorimetro in avanti Tracciatore interno Lecce, 26 marzo 2010 A. Ventura Bobine dei toroidi del cilindro centrale 37 Dal progetto alla presa dati Sala di controllo di ATLAS: Presa dati per tutto il 2010 10 Settembre 2008 Primi fasci in ATLAS Lecce, 26 marzo 2010 A. Ventura 38 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 39
