Grandi scoperte agli acceleratori

L’avventura delle particelle
Dalla scoperta dell’elettrone
alla ricerca del bosone di Higgs
Andrea Ventura
Università del Salento & INFN Lecce
Primi fasci di protoni nell’LHC
e primi eventi all’esperimento ATLAS
Lecce-Ginevra, 10 settembre 2008
Sommario
•
•
•
•
•
•
La prima particella scoperta: l’elettrone
Dai modelli atomici alla fisica quantistica
Particelle nei raggi cosmici
I primi grandi acceleratori
Il proliferare delle particelle e l’ipotesi dei quark
Il Modello Standard e le sue conferme
sperimentali
• Le sfide di oggi: verso il bosone di Higgs?
• LHC e l’esperimento ATLAS
Lecce, 10 settembre 2008
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 con gas a
bassissime pressioni.
• 1860 W. Crookes usò il tubo di Geissler
inserendovi due lamine metalliche, collegandole
ad un generatore a 30000 V e 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
Risultato atteso
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Risultato ottenuto
A. Ventura
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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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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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 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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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
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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
Raggio di
ciclotrone
mv
R
qB
Il primo ciclotrone fu
costruito da E.
Lawrence a Berkeley
nel 1930
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L’acceleratore che abbiamo tutti
• Il tubo a raggi catodici,
basato sul primo
oscilloscopio, realizzato
da K. F. Braun (1897)
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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+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…?
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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!)
• Con la ripresa economica internazionale, nuovi acceleratori
raggiunsero energie sempre maggiori e si scoprirono nuove
particelle: l’antineutrone, gli iperoni, varie risonanze, etc.
• 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:
–
–
–
–
–
1955 B. Pontecorvo intuì come rivelare (anti)neutrini dai reattori
1956 C. Cowan e F. Reines scoprirono il neutrino elettronico
1956 Dalla diffusione e-p si provò che il protone ha struttura interna
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 mettere ordine
allo zoo di particelle. M. Gell-Mann e Y.
Neeman proposero la “via dell’ottetto”:
previdero la W–, scoperta subito 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 SLAC a Stanford
(California), l’acceleratore lineare di
elettroni : energia di 20 GeV, lungo 3 km.
• Con un esperimento alla Rutherford, si
usarono elettroni provando che i nucleoni
sono costituiti da oggetti puntiformi (i
quark)
• 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, A. Salam e S. Glashow
formularono una teoria unificata delle
interazioni elettro-magnetica e debole (e con
loro indipendentemente anche).
• 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 l’origine della massa dei
suddetti bosoni, la teoria prevede il
meccanismo di Higgs, 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, chiamato J.
• Richter a SLAC diresse un esperimento con elettronipositroni: e+e–  X. Si ipotizzò la produzione di una
particella, denominata .
• Le due scoperte riguardavano la medesima particella,
battezzata J/.
Poche settimane dopo anche a Frascati fu scoperta la J/
spingendo oltre i propri limiti Adone (collider e+e– da 3 GeV)
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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 , poi scoperto nel 2000.
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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 debole e i bosoni vettori
• 1983 C. Rubbia e S. van der Meer scoprirono
i bosoni vettori W e Z0, mediatori della forza
elettrodebole, lungamente cercati per provare
la
validità del Modello Standard
_
• Il collider SPS (r=1.1km) del CERN fu trasformato in SppS
(usando protoni e antiprotoni) operando a un’energia nel
centro di massa di 540 GeV e successivamente 630 GeV
• Agli esperimenti UA1
e UA2 furono
_
visti eventi tipo pp :
u
→ WX → 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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Il tunnel del LEP
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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 grande accuratezza
– Predire la massa del sesto quark (mt = 18110 GeV/c2)
– Stabilire che il numero di famiglie di neutrini è tre (2.9840.008)
• Dopo un primo run a 91 GeV  mZc2,
(1.7107 Z0 tra 1989 e 1995) l’energia nel
centro di massa fu 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 (Fermilab) vennero trovati eventi contenenti il
sesto quark, il t (top o truth), di carica +2/3e, m  170 GeV/c2
• Seguirono altre misure di alta precisione complementari a
quelle ricavate al LEP
CDF
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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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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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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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Y
Graviton (G)
p
X
Y
X
p
Recoil
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Premi Nobel che hanno fatto grande
la Fisica delle Particelle
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
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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
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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
• Luminosità di progetto 1034 cm-2s-1
• Oltre 1600 magneti superconduttori
tenuti a T=1.9K da He superfluido
Il punto più freddo dell’Universo!
• Una sfida tecnologica a tutti i livelli
• Dopo oltre dieci anni siamo pronti alle prime collisioni.
Oggi circoleranno i primi protoni nell’LHC e presto
potremo osservare i primi eventi nei suoi grandi rivelatori
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Gli esperimenti all’LHC
• I rivelatori
general-purpose
di LHC sono:
CMS
25 m
ATLAS
(A Toroidal LHC
ApparatuS)
46 m
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(Compact
Muon
Solenoid)
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Uno sguardo ad ATLAS
Camere per
rivelare muoni
Calorimetro in
avanti
Tracciatore
interno
Lecce, 10 settembre 2008
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Bobine dei
toroidi del
cilindro centrale
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Trasporto e montaggio di ATLAS
Toroide
magnetico
Simulazione di
mini buco nero
Durante
l’assemblaggio
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La collaborazione di ATLAS
Lecce, 10 settembre 2008
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L’avventura sta per cominciare!
• I numeri di ATLAS:
– Progettato nel 1992
Potremmo essere alla vigilia di
– Oltre 2100
tra scoperte
fisici, ingegneri
e tecnici
grandi
che potrebbero
– 167 università
e laboratori le
di nostre
37 nazioni
rivoluzionare
nel campo
della
– 3000 kmconoscenze
di cavi, 108 canali
elettronici
Fisica
fondamentale…
– Precisione fino
a ~10
mm
PRONTI !!!
– AcquisitiTENIAMOCI
O(1016) bytes /anno
ATLAS
Control Room
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