La Fisica delle Particelle Elementari
ovvero
La Fisica delle Alte Energie
ovvero
La Fisica delle Forze Fondamentali
della Natura
G.Battistoni, INFN Milano
Le eterne domande…
Di che cosa è fatto il mondo?
Cosa lo tiene insieme?
L'uomo è giunto a capire che la materia è in realtà un agglomerato di
pochi elementi fondamentali, che costituiscono tutto il mondo della
natura. La parola "fondamentale" è una parola chiave.
Per elementi fondamentali noi intendiamo oggetti che sono semplici e
privi di struttura interna, insomma, non composti da qualcosa di più
piccolo.
Cerchiamo allora ciò che è più fondamentale!
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La storia in 5 minuti…
La prima idea di cosa fosse fondamentale…
L’idea che la materia fosse composta a partire da costituenti
fondamentli nasce più di 2000 anni fa. Questi mattoncini elementari
erano supposti essere semplici e privi di struttura, cioè non erano
composti da nulla di più piccolo.
~ 450 B.C. Democrito
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Il modello atomico
Fine 1800
nuova disciplina sperimentale:
L’osservazione delle righe spettrali
che caratterizzano i diversi atomi
1900
la fisica classica non riesce a spiegare la “spettroscopia”
Nasce la “nuova fisica”:
La
meccanica ondulatoria e poi la meccanica quantistica: nasce il
modello di atomo moderno
La chimica diventa (in linea di principio) un capitolo della fisica!
Ma piu’ di 100 elementi!! non sono un po’ troppi?
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La meccanica ondulatoria:
Onde e Particelle
A livello “microscopico” quelle che chiamiamo particelle
(elettroni, protoni, ecc.) a seconda del tipo di misura che viene
effettuata esibiscono sia proprieta’ corpuscolari che proprieta’
ondulatorie
Particelle descrivibili
come onde
L. De Broglie
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Come le onde che gia’ conosciamo
possono dar luogo ad interferenza e
diffrazione....
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La Meccanica Ondulatoria
applicata al modello atomico
h
p
Ma al contrario di un corpuscolo
un’ onda non e’ precisamente
localizzata:
si va verso il “principio di
indeterminazione”.
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Dalla meccanica ondulatoria
alla meccanica quantistica
L’onda di De Broglie e’ un’onda di probabilita’: la
funzione d’onda di Schroedinger
Principio di indeterminazione (Heisemberg):
x p h
E t h
Limite intrinseco alla precisione della misura
(non e’ una questione tecnica, ma di principio!)
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(x)
La scoperta della radioattivita’
naturale:
Alcuni nuclei atomici emettono particelle
Si comincia a capire il nucleo in termini di protoni
Si possono bombardare altri nuclei con le particelle emesse dai
nuclei radioattivi: si realizza il sogno di trasmutare la materia
Si afferma l’uso delle collisioni fra particelle e nuclei come metodo
di indagine sperimentale
Da alcuni di questi esperimenti di bombardamento si scopre che
oltre ai protoni esistono particelle assai simili, ma senza carica
elettrica: i neutroni
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Rutherford e la scoperta del
nucleo atomico
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Relativita’ di spazio e tempo
1) spazio e tempo formano un
“continuo” 4-dimensionale
2) “invarianza” delle leggi del moto in
riferimenti inerziali
3) la velocita’ della luce (c) nel vuoto e’
una costante, indipendetemente dal
riferimento
2
Fra le conseguenze:
E mc
Equivalenza di massa e energia
Il significato profondo sta nel fatto che l’energia puo’ essere
convertita in massa e viceversa:
Non e’ piu’ necessario che in un sistema di particelle in
interazione fra di loro il numero di queste rimanga costante...
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Creazione e Annichilazione
L’energia disponibile nelle collisioni fra particelle
puo’ essere convertita in altre nuove particelle
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I Raggi Cosmici
Sino dagli inizi del 1900 si comincia a capire che siamo
continuamente bombardati da particelle che provengono
dallo spazio extraterrestre e che collidono con gli atomi
dell’atmosfera
Essi consistono sostanzialmente di protoni (o dei nuclei
atomici) che vengono dallo spazio.
Grazie all’invenzione di strumenti di osservazione come
la “camera a nebbia” si misurano i prodotti di queste
collisioni e si scoprono nuove particelle.
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Collisioni con produzione
di particelle
Decadimenti
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Annichilazione
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Alcune nuove scoperte:
I “muoni” () : sono simili agli elettroni ma sono 200 volte
più pesanti. Inoltre, al contrario degli elettroni, che sono
stabili, i vivono circa 2.2 microsecondi (ms)
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Materia ed Antimateria
La
relatività
applicata
alla
Meccanica Quantistica produce una
nuova “equazione
del
moto”
(L’equazione di Dirac) che prevede
delle soluzioni inaspettate...
...apparentemete
assurde...
P.A.M. Dirac
Particelle con energia negativa???
che viaggiano all’indietro nel tempo???
1932: scoperta del positrone
Dopo questa scoperta sono interpretate come antiparticelle: l’anti-materia
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Materia e AntiMateria
Materia e antimateria sono perfettamente simmetriche:
per ognuna delle particelle fondamentali della materia
esiste una antiparticella che differisce solo per il segno di
alcune proprietà, come la carica elettrica.
Quando materia e antimateria collidono fra di loro si
“annichilano” e la loro energia riappare come fotoni o altre
coppie di particelle-antiparticelle.
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Un’altra nuova scoperta del 1947/1948
La particella (Lattes, Powell, Occhialini)
sembra simile al
...
G.Occhialini
anch’essa instabile (decade in !!)...
Che questa particella abbia a che fare con la misteriosa
e potentissima “colla” nucleare?
(torneremo dopo su questo concetto...)
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I decadimenti radioattivi
Lo studio della radioattivita’ naturale condusse all’identificazione
di un processo particolare:
il decadimento del neutrone (t ~ ¼ d’ora per il neutrone libero)
Inizialmente si pensava che fosse la seguente trasformazione:
n p eMa le cose non tornavano:
In questa ipotesi l’elettrone deve essere “monocromatico”
Invece le misure davano uno “spettro continuo”...
Ipotesi di una nuova particella:
il neutrino
Tutto si speiga se esiste un’altra particella molto
“leggera” e neutra
Fu chiamata “neutrino”
n p e- e
W. Pauli
Passarono molti anni prima che la sua esistenza fosse
dimostrata completamente.
Essa ha un ruolo fondamentale nelle reazioni che converto
neutroni in protoni, e viceversa. Queste reazioni sono
anche importanti per il funzionamento del Sole e delle altre
stelle.
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Ancora sulle collisioni fra
particelle....
Non solo produzione di nuove particelle dalla conversione di energia
in materia, ma anche indagine della possibile struttura interna delle
particelle stesse (la lezione di Rutherford!!!).
Diffusione dei
proiettili
come
metodo per “vedere”
la struttura interna di un oggetto
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Cosa significa “vedere”?
Ricordiamo che la luce é
radiazione elettromagnetica
(onde) .
Se un’onda ha una
lunghezza d’onda
MINORE O COMPARABILE
alle dimensioni di un oggetto,
allora questo é
capace di modificare il
percorso delle onde
(diffrangere, diffondere)
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Possiamo “vedere” un atomo, un nucleo, una
particella subatomica?
La dimensione tipica di una particella subatomica (per esempio il protone) é
dell’ordine di 10-15 m (0.000000000001 mm).
Questa misura la chiamiamo:1 Fermi (fm)
La luce visibile é fatta di onde con lunghezza d’onda compresa tra 0.4 e
0.8 mm: non può essere usata per vedere qualcosa piu piccolo di 1 mm!
Che onda serve per vedere 1 fm o meno?
(m)
=c/ (Hz)
E = h (MeV)
10-15
~3 1023
~ 200
10-16
~3 1024
~ 2000
10-17
~3 1025
~ 20000
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torniamo al concetto di
particelle come onde
h
p
“quantità di moto”:
m0 v
v2
1 2
c
Maggiore é la quantità di moto (energia) di una particella,
Minore é la sua lunghezza d’onda associata
E p 2c 2 m 2c 4
proiettile
un fascio di particelle di una data energia può “vedere”
un oggetto di dimensioni COMPARABILE alla sua l associata
bersaglio
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Difficoltà e necessità di nuovi strumenti
I raggi cosmici arrivano con energia varia e imprevedibile
e collidono con i nuclei dell’atmosfera ad altezze diverse
Nuovo obiettivo:
creare una condizione sperimentale totalmente
controllabile:
a) un “fascio” di particelle di energia nota diretto contro
b) un “bersaglio” preparato
c) attorno ad un dispositivo di rivelazione dei prodotti delle
collisioni
Nasce la necessità di costruire/inventare
acceleratori di particelle artificiali:
i microscopi dell’infinitamente piccolo
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FISICA DELLE PARTICELLE ELEMENTARI
FISICA DELLE ALTE ENERGIE
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I primi acceleratori
Primi tentativi piu ovvi: accelerare una particella
elettricamente carica sotto l’azione di un campo
elettrico statico:
Energia = q |E| d = q V per un campo
V/d
uniforme
Serve una tensione continua elevata...
Generatori Elettrostatici
“Moltiplicatori di Tensione”
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Acceleratore/generatore Cockroft-Walton
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Il LINear ACcelerator (LINAC)
Una grossa tensione statica non regge: diamo una
serie di “spinte” brevi ma “robuste”
R. Wideröe
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Il primo CICLOTRONE
Ernest O. Lawrence
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ciclotrone da 68 cm per protoni:
si raggiungono gli 8 MeV!!!
La relatività
impone dei
limiti!
difficile da usare
per protoni di
energia superiore
e comunque per
particelle leggere
come l’elettrone!
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Il SINCROTRONE
Serve una nuova idea
proprio per superare
i limiti imposti
dalla relatività...
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1959: Il primo sincrotrone italiano
G. Salvini
Lab. di Frascati: elettroni 1.5 GeV. Lavorò fino al 1975
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Emilio Segre e la scoperta dell’antiprotone
1955
p+p
p+p+p+p
Il “Bevatron”
di Berkley
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Rivelazione con emulsioni fotografiche
L’annichilazione
di un anti-protone
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Nasce il CERN a Ginevra
E.Amaldi
Il sincrotrone per protoni da 30 GeV
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“Rivelano”
Come si “identificano” le particelle prodotte?
Nel passato le tracce venivano visualizzate in oggetti come
le “camere a nebbia”. Poi nacquero le “camere a bolle” e o
le “camere a scintilla”.
Oggi usiamo dispositivi dove le particelle producono segnali
di corrente elettrica che vengono “digitalizzati” e registrati
mediante tecniche computeristiche: vediamo le tracce su
uno schermo per mezzo di “programmi di ricostruzione”.
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G.Battistoni, INFN Milano
In pochi anni lo “zoo” cresce...
p
t
L
n
e+
h
K+
t
e-
0
K-
r
K0
D
w
B
e
f
Cominciano ad essere troppe per
essere veramente “elementari” e “fondamentali”...
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Un nuovo modello semplifica lo zoo
delle particelle...
“adroni”
Le particelle che subiscono o generano
la forza nucleare NON SONO ELEMENTARI
Esse sono composte da particelle più elementari:
i “quarks”
“barioni” : 3 quarks (carica elettrica frazionaria)
“mesoni”: 1 quark + 1 antiquark
L’algebra (Teoria dei Gruppi)
irrompe nella fisica teorica...
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M. Gellman
Stanford Linear Accelerator Center
Qui furono fatti
i primi esperimenti
chiave per
dimostrare
che il protone non
era elementare...
3 tipi di quark:
u, d, s
(up, down, strange)
forse ce n’é un
quarto...
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Anni ’60: una nuova idea sperimentale...
made in Italy
B. Touschek
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Nasce AdA
Anello
di
Accumulazione
(di elettroni e positroni)
x
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e+
q
e-
q
t
dopo AdA: Adone (anni ’70)
1.5+1.5 GeV
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Riassunto della nostra comprensione
del mondo alla data di oggi
Tutto nell’universo é composto a partire da un piccolo
numero di “mattoni elementari” di base: sono le particelle
elementari (subatomiche), che sono governate da poche
forze fondamentali.
Alcune di queste particelle sono stabili e formano la
materia normale. Altre invece “vivono” solo per frazioni di
secondo e “decadono” in particelle stabili.
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I Mattoni dell’Universo che
costituiscono la materia
Oggi sappiamo che tutta la materia dell’Universo é
costruita a partire da circa un centinaio di differenti tipi di
atomi. Ogni atomo é fatto di elettroni orbitanti intorno ad
un nucleo con carica elettrica positiva. Il nucleo stesso
consiste di altri oggetti più semplici: protoni (positivi) e
neutroni (neutri). Li chiamiamo “nucleoni”.
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I Mattoni dell’Universo che
costituiscono la materia
L’elettrone sembra non avere alcuna struttura interna.
Invece i protoni ed i neutroni sono particelle composite:
ognuno contiene 3 “quarks”. Come gli elettroni, i quarks
non hanno struttura. Per fare i protoni e i neutroni servono
2 tipi di quark, chiamati “up” e “down”.
Forse sono questi i veri componenti “elementari”
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Il modello atomico oggi…
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La scala delle grandezze…
Questi li consideriamo elementari
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Queste 4 particelle elementari sono tutto ciò di cui
abbiamo bisogno per costruire la materia ordinaria intorno
a noi.
Tuttavia abbiamo identificato anche forme di materia
meno ordinaria che esistono ma che non possiamo
vedere con gli occhi:
i neutrini, i muoni e le altre particelle instabili creati nelle
collisioni della materia cosmica che arriva dallo spazio o
nelle collisioni prodotte con acceleratori ad alta energia e
“l’immagine speculare” di tutto questo: l’antimateria.
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Materia ad alta energia
Negli esperimenti con acceleratori sono state trovate
ancora altre particelle elementari. Per esempio sappiamo
che c’é una terza particella carica del tipo dell’elettrone e
del muone, ma 3550 ancora più pesante dell’elettrone. Si
chiama “tau” (t) e vive solo per circa 0.3 x 10-12 s. Esso
dopo decade o in elettrone o in muone o persino in p,
insieme ad un terzo tipo di neutrino: il t.
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Molte altre particelle vengono prodotte nelle collissioni
ad alta energia, ma non sono “fondamentali”
(elementari), perchè sono composte da quarks.
Ci sono per esempio delle particelle pesanto che sono
composte da altri nuovi quarks più pesanti di “up”,
“down” e “strange”: essi sono i quarks chiamati
“charm”, “bottom” e “top”.
Conosciamo quindi in totale 6 differenti tipi (“sapori”) di
quark.
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quarks
leptoni
che formano poi particelle composte
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La colla della Natura: che cosa
tiene insieme la materia?
Le particelle fondamentali si legano fra di loro per formare
strutture a tutte le scale di grandezza: dal protone che é
fatto di 3 quarks, agli atomi, poi alle molecole e quindi i
liquidi i solidi ecc., fino agli enormi conglomerati di
materia nelle stesse, nelle galassie.
Questo é possibile per mezzo di sole 4 interazioni di
base, quelle che noi chiamiamo forze.
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Cosa sono le forze?
La relatività di Einstein IMPONE di superare
il concetto classico di “azione immediata a distanza” :
Nulla può essere trasmesso a velocità maggiore della luce
Ogni particella esercita un’azione su un’altra attraverso lo
scambio di un “mediatore”
forza = interazione = scambio
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Torniamo agli anni prima della seconda guerra
mondiale: l’indagine sulla forza che tiene
insieme il nucleo...
La forza (interazione) “nucleare”
deve originarsi dallo “scambio”
di una particella che pesa ~200
volte il peso di un elettrone
il “Mesone”
I.Yukawa
Per molto tempo si pensò che il muone fosse il
mesone di Yukawa...
In Italia (Conversi, Pancini, Piccioni)
dimostrarono che non lo era
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M.Conversi
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Ogni fenomeno come
creazione, decadimento, annichilazione, ecc.
é espressione dell’azione di una forza fondamentale
Ancora questa parola!!
dovuta alla mediazione di qualche agente (particella)
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Le Forze Fondamentali
La più familiare fra le forze fondamentali di base é
sicuramente la gravità, ma i suoi effetti sulle particelle
sono estremamente piccoli.
Una interazione molto più forte é quella elettromagnetica.
Quando però esploriamo l’interno del nucleo atomico e
strutture più piccole (i nucleoni) scopriamo 2 nuove forze:
la forza nucleare debole e la forza nucleare forte.
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La Forza Nucleare Debole
La forza Nucleare debole é responsabile del decadimento
b che prima abbiamo ricordato: n
p e- e
(la prima teoria fu di E. Fermi)
E’ anche alla base del
dell’idrogeno nelle stelle.
processo
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di
combustione
La Forza Nucleare Forte
La forza Nucleare forte tiene insieme i quarks dentro il
protone, i neutroni e le altre particelle composite.
Nel nucleo atomico, l’interazione forte é 100 volte più
intensa dell’interazione elettromagnetica!
La forza nucleare forte é molto speciale: diventa più forte
aumentando la distanza!
Le particelle che sentono l’interazione forte si chiamano
“adroni” e sono tutte composte da quarks
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1
Nucleare forte
10-2
Elettro-Magnetica
10-13
Nucleare debole
10-25
Gravitazionale
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Descrizione Moderna di cio’ che chiamiamo
“Interazioni” o “Forze”
Meccanica Quantistica + Relatività =
Teoria Quantistica dei Campi
I “diagrammi di Feynman”
Un esempio di base: l’interazione
elettromagnetica fra un elettrone ed un
protone
R.P. Feynman
(1948)
x
e(p)
p(k)
x1, t1
e(p’)
x2, t2
Un fotone viene “scambiato”
fra la 2 particelle:
esso media l’interazione
p(k’)
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t
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La Fisica della Particelle oggi: il
“Modello Standard”
Tutte le scoperte e le teorie elaborate da migliaia di fisici
dall’ultimo secolo ad oggi hanno portato all’elaborazione
di un quadro sulla struttura fondamentale della materia
che chiamiamo: il Modello Standard delle Forze e delle
Particelle.
Esso richiede: 12 particelle che costituiscono la materia
e 4 particelle che sono “portatori” delle forze.
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G.Battistoni, INFN Milano
FISICA DELLE PARTICELLE ELEMENTARI
FISICA DELLE ALTE ENERGIE
CAPIRE LE FORZE FONDAMENTALI E LA LORO UNITA`
Adesso abbiamo capito cosa é veramente
“fondamentale”!!!
Siamo capaci di estendere il lavoro di unificazione
iniziato
con la forza elettro-debole?
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Tra i maggiori contributori moderni:
Nobel 1986
Teoria
elettro-debole
(anni ’70)
S. Glashow
S. Weinberg
A. Salam
Nobel 1999
Impianto
per la
Teoria Unificata
INFN Milano
G.t’Hofft G.Battistoni,
M.Veltman
Nobel 1983
C. Rubbia
Scoperta del W e Z
Esp. UA1
al CERN
sul collider
SPS
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Lo “Spin” (momento della
quantita’ di moto intrinseca...`)
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Alcuni numeri sui mattoni
elementari...
leptoni
quarks
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Alcuni numeri sulle particelle
composte
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Notizie sui mediatori delle
forze...
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Il problema della massa...
Le particelle hanno masse molto diverse: i fotoni e i
“gluoni” hanno massa nulla mentre i W e gli Z pesano
quanto 80 e 9-0 protoni. Il quark “top” pesa il doppio di un
W!
Nel Modello Standard una particella acquista massa
tramite un particolare processo che chiamiamo il
“meccanismo di Higgs”. Questo prevede l’interazione con
un’altra particella ancora: il “Bosone di Higgs”. E’
l’intensità di questa interazione che crea la massa.
Dobbiamo ancora dimostrare questa ipotesi: dobbiamo
scoprire se il Bosone di Higgs esiste davvero!
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La fisica delle particelle e la
comprensione dell’Universo
Oggi sappiamo in modo certo che l’Universo ha avuto
inizio da una fase molto “calda” e a grande densita’ di
energia: il “Big Bang”
Per pochi istanti, durante e poco dopo questa fase tutte
le particelle, anche quelle instabili hanno convissuto.
Da allora (~13.7 miliardi di anni fa) solo l’enorme
concentrazione di energia che si può raggiungere in un
“acceleratore di particelle” può riportare in vita quelle
particelle che sono decadute.
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.
Pertanto studiare le particelle elementari é come
“guardare indietro” nel tempo ricreando l’ambiente del
primo Universo. Studiare le collisioni fra particelle
permette di capire le forze fondamentali che governano
l’Universo intero e tutto ciò che esso contiene e capire
come esso si é evoluto
Per capire la formazione delle stelle, della terra, e in
ultima analisi, della natura vivente.
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FISICA DELLE PARTICELLE ELEMENTARI
FISICA DELLE ALTE ENERGIE
CAPIRE LE FORZE FONDAMENTALI E LA LORO UNITA’
CAPIRE LA FORMAZIONE E L’EVOLUZIONE DELL’UNIVERSO
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Alcune affermazioni oggi
condivise...
- l’universo é in espansione (probabilmente in espansione
accelerata)
-circa 13-14 miliardi di anni fa l‘universo era molto denso,
concentrato e molto “caldo”: grande densità di energia
-oggi l’universo é dominato dalla forza di gravità
-nella sua fase “calda” le particelle elementari non potevano
essere legate fra di loro e le forze nucleari forte e debole e la
forza elettromagnetica erano il motore dominante...
Ma ci sono ancora parecchi misteri...
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Materia e AntiMateria nell’Universo
Abbiamo motivi per credere che quando si é originato
l’Universo, circa 14 miliardi di anni fa, c’era la stessa
quantita di materia e antimateria.
Nell’Universo attuale invece, a parte ciò che si crea nelle
collisioni, non vediamo antimateria intorno a noi. Questo é
uno dei problemi che ancora non abbiamo risolto:
-dove se ne é andata l’antimateria?
-perchè materia e antimateria non si sono annichilate
lasciando solo energia (fotoni) nell’Universo?
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Alcune domande spinose emerse
recentemente dall’astrofisica
Le galassie vicino a noi e tutto l’universo sembrano essere
riempiti da una materia di tipo diverso, che non produce luce...
la Materia Oscura...
Di cosa é fatta????
L’espansione dell’universo sta accelerando!!! Oltre che dalla
materia oscura l’universo sembra dominato da un tipo di
energia che non conosciamo e che sembra comportarsi
diversamente: la chiamiamo Energia Oscura
Cosa é ?????
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La maggior parte dell’Universo (~95%)
é fatto di qualcosa di cui
non sappiamo nulla e che ancora non capiamo!!!
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Riassunto dei problemi del
Modello Standard
Fra le domande ancora non risolte le più importanti sono:
•Quale é l’origine della massa delle particelle?
•Si possono unificare tutte le forze?
•Perché la carica elettrica, la massa, ecc., hanno quel
valore e non un altro?
•Dove é andata l’antimateria?
•L’universo ha bisogno di anche altra materia e altra
energia (quella che chiamiamo la “Materia Oscura” e
l’”Energia Oscura”): cosa sono?
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UNIFICAZIONE
COMPLETA
GRAVITAZIONE
INTERAZIONE NUCLEARE FORTE
ELETTROMAGNETISMO
INT. ELETTRO-DEBOLE
GRANDE
UNIFICAZIONE
INT. DEBOLE
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La risposta sperimentale e teorica sul
fronte delle Alte Energie...
il Modello Standard é solo una tappa di un cammino
ancora molto lungo...
Il Modello Standard :
•va ancora completato
•va superato
Nuove idee emergono in questi anni
Nuovi fronti sperimentali si stanno aprendo
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Tante cose andrebbero al loro posto
da sole in un quadro “super-unificato”...
Che include anche la gravità...
E’ possibile arrivare ad una descrizione
unificata delle forze in uno spazio a 11 dimensioni:
Il nostro spazio-tempo a 4 dimensioni é una membrana
di questo spazio piu’ ampio
Le altre dimensioni non sono facilmente osservabili
perché “arrotolate” su loro stesse:
sono possibili esperimenti su acceleratore per verificare
questa ipotesi!
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La nuova
macchina del
CERN:
il Large
Hadron
Collider
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Cosa é LHC
Il Large Hadron Collider (LHC) inizierà ad operare nel
2007, facendo collidere fasci di protoni da 14 TeV.
L’obiettivo di LHC é lo studio della particella di Higgs e di
aprire le porte al superamento del Modello Standard...
(super-gravità, extra-dimensioni, supersimmetria...)
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G.Battistoni, INFN Milano
In pratica come si fa questo
lavoro?
Come funziona un acceleratore?
Come si rivelano le particelle subatomiche?
Come si rivelano i raggi cosmici?
Perche’ e come si continuano a studiare i neutrini?
Quali sono i progetti per affrontare le prossime sfide?
L’Italia come partecipa?
Il seguito alle prossime puntate...
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