Grandi scoperte agli acceleratori
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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 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 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 Lecce, 10 settembre 2008 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 Risultato atteso Lecce, 10 settembre 2008 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 4 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, 10 settembre 2008 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?” Lecce, 10 settembre 2008 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, 10 settembre 2008 A. Ventura 7 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, 10 settembre 2008 A. Ventura 8 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, 10 settembre 2008 A. Ventura 9 Acceleratori: principi di funzionamento Campo elettrico: accelera Campo magnetico: curva Raggio di ciclotrone mv R qB Il primo ciclotrone fu costruito da E. Lawrence a Berkeley nel 1930 Lecce, 10 settembre 2008 A. Ventura 10 L’acceleratore che abbiamo tutti • Il tubo a raggi catodici, basato sul primo oscilloscopio, realizzato da K. F. Braun (1897) Lecce, 10 settembre 2008 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, 10 settembre 2008 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, 10 settembre 2008 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, 10 settembre 2008 A. Ventura 14 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 Lecce, 10 settembre 2008 A. Ventura 15 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. Lecce, 10 settembre 2008 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, 10 settembre 2008 A. Ventura 17 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) Lecce, 10 settembre 2008 A. Ventura 18 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 Lecce, 10 settembre 2008 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, 10 settembre 2008 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, 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) Lecce, 10 settembre 2008 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 , poi scoperto nel 2000. Lecce, 10 settembre 2008 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, 10 settembre 2008 A. Ventura 23 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 → WX → l nX →Z→l l d n W+ e+ + – m(W+) = 80.4 GeV/c2 m(Z0) = 91.2 GeV/c2 Lecce, 10 settembre 2008 UA2 f f Z f f A. Ventura 24 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, 10 settembre 2008 Svizzera A. Ventura 25 Il tunnel del LEP Lecce, 10 settembre 2008 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 grande accuratezza – Predire la massa del sesto quark (mt = 18110 GeV/c2) – Stabilire che il numero di famiglie di neutrini è tre (2.9840.008) • Dopo un primo run a 91 GeV mZc2, (1.7107 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 Lecce, 10 settembre 2008 A. Ventura 27 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 Lecce, 10 settembre 2008 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, 10 settembre 2008 A. Ventura 29 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, 10 settembre 2008 A. Ventura 30 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, 10 settembre 2008 A. Ventura Y Graviton (G) p X Y X p Recoil 31 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, 10 settembre 2008 • 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 A. Ventura 32 Lecce, 10 settembre 2008 A. Ventura 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 • 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 Lecce, 10 settembre 2008 A. Ventura 34 Gli esperimenti all’LHC • I rivelatori general-purpose di LHC sono: CMS 25 m ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) 46 m Lecce, 10 settembre 2008 (Compact Muon Solenoid) A. Ventura 35 Uno sguardo ad ATLAS Camere per rivelare muoni Calorimetro in avanti Tracciatore interno Lecce, 10 settembre 2008 A. Ventura Bobine dei toroidi del cilindro centrale 36 Trasporto e montaggio di ATLAS Toroide magnetico Simulazione di mini buco nero Durante l’assemblaggio Lecce, 10 settembre 2008 A. Ventura 37 La collaborazione di ATLAS Lecce, 10 settembre 2008 A. Ventura 38 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 Lecce, 10 settembre 2008 A. Ventura 39 Lecce, 10 settembre 2008 A. Ventura 40
