Grandi scoperte agli acceleratori

Grandi scoperte
della Fisica
delle Particelle Elementari
Andrea Ventura
Università del Salento & INFN Lecce
1 marzo 2013
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
2
Gallipoli, 1 marzo 2013
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
Gallipoli, 1 marzo 2013
A. Ventura
3
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.
Gallipoli, 1 marzo 2013
A. Ventura
4
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–
Gallipoli, 1 marzo 2013
A. Ventura
5
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?”
Gallipoli, 1 marzo 2013
A. Ventura
6
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 p0gg
m(p+) = 139.57 MeV/c2
m(p0) = 134.98 MeV/c2
Gallipoli, 1 marzo 2013
A. Ventura
7
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!
Gallipoli, 1 marzo 2013
A. Ventura
8
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
mv
R
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
• Passo successivo: sincrotrone
Gallipoli, 1 marzo 2013
A. Ventura
9
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+pK+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…?
Gallipoli, 1 marzo 2013
A. Ventura
10
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
Gallipoli, 1 marzo 2013
A. Ventura
11
Gallipoli, 1 marzo 2013
A. Ventura
12
Gallipoli, 1 marzo 2013
A. Ventura
13
Gallipoli, 1 marzo 2013
A. Ventura
14
Gallipoli, 1 marzo 2013
A. Ventura
15
Gallipoli, 1 marzo 2013
A. Ventura
16
Gallipoli, 1 marzo 2013
A. Ventura
17
Gallipoli, 1 marzo 2013
A. Ventura
18
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
Gallipoli, 1 marzo 2013
• 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
19
Il quadro è completo! (o quasi…)
nt
• La descrizione dei costituenti
della materia (quark e leptoni)
è al completo!
•
Dopo la soperta del 4 luglio 2012 abbiamo forse trovato il bosone di Higgs,
responsabile del meccanismo di attribuzione di massa di tutte le particelle
Gallipoli, 1 marzo 2013
A. Ventura
20
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
Gallipoli, 1 marzo 2013
A. Ventura
Y
Graviton (G)
p
X
Y
X
p
21
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 quasi un decennio nel 2009 ci sono state le prime
collisioni, lo scorso anno sono stati raccolti 50 pb-1 di dati:
ora si continua a prendere dati per cercare le risposte alle
importanti domande rimaste aperte
Gallipoli, 1 marzo 2013
A. Ventura
22
Acceleratori e loro energie oggi
• LHC coi suoi attuali 7 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.
Gallipoli, 1 marzo 2013
A. Ventura
23
Gli esperimenti all’LHC
• Gli esperimenti
general-purpose
di LHC sono:
CMS
(Compact
Muon
Solenoid)
ATLAS
(A Toroidal LHC
ApparatuS)
25 m
46 m
Gallipoli, 1 marzo 2013
A. Ventura
24
Uno sguardo ad ATLAS
Camere per
rivelare muoni
Calorimetro in
avanti
Tracciatore
interno
Gallipoli, 1 marzo 2013
A. Ventura
Bobine dei
toroidi del
cilindro centrale
25
Uno sguardo ad ATLAS
Event Display nella sala
di controllo di ATLAS
Evidenza del bosone di Higgs!
10 Settembre 2008
Primi fasci in ATLAS
Gallipoli, 1 marzo 2013
A. Ventura
26
L’avventura continua!
• 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
l’evidenze
sperimentale
persone Dopo
per progetti
lunghi anche
molti anni.
•
del bosone di Higgs
I numeri dell’esperimento ATLAS:
potremmo essere alla vigilia
– Progettato nel 1992
ditranuove
grandi
scoperte !!!
– Oltre 3000
fisici, ingegneri
e tecnici
–
–
–
–
–
170 università e laboratori di 38 nazioni
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
Gallipoli, 1 marzo 2013
A. Ventura
27