Cosmo e Particelle - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare

Cosmo e Particelle
(Introduzione alla scoperta del Bosone di Higgs)
Marco G. Giammarchi
Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
Via Celoria 16 – 20133 Milano (Italy)
[email protected]
http://pcgiammarchi.mi.infn.it/giammarchi/
Outline:
1. Le Particelle fondamentali
2. Le Forze fondamentali
3. L’Universo a particelle
4. Il Modello Standard
( M. Fanti, 22/11/2012)
Planetario Milano - 20/11/2012
1
1. Le Particelle fondamentali
Cosa abbiamo imparato (a scuola) ?
Materia: composta da costituenti fondamentali:
Molecole, Atomi, Nuclei
Molecole: costituenti della materia
Ossigeno
Ipotizzate per comprendere la Chimica
Leggi di Dalton e di Avogadro (1803-1811)
Idrogeno
Idrogeno
Dimostrazione sperimentale finale: Perrin (1911)
1010 m
Planetario Milano - 20/11/2012
2
A loro volta le Molecole sono composte da Atomi
Atomo = Nucleo, Elettroni
Nucleo = Protoni, Neutroni
L’Elettrone: una particella
davvero elementare
Diversi tipi di atomi:
La Tavola Periodica
Planetario Milano - 20/11/2012
3
Parmenides (circa 500 AC), Zenon (circa 490 – 430
AC): l’esperienza della molteplicità è negabile.
La materia è divisibile e suddivisa all’infinito. La
divisione infinita della estensione fornisce come
risultato zero, il niente, e quindi la molteplicità in cui
consiste l’estensione corporea non esiste, è opinione
illusoria.
Demokritos (circa 460 – 370 AC): l’esperienza della
molteplicità è innegabile
La materia è suddivisa ma non all’infinito.
A-tomos, indivisibile. Venne introdotto per fermare il
processo di “riduzione al nulla” dell’estensione spaziale
(Parmenide, Zenone).
L’atomo è il punto in cui tale processo si ferma.
Il senso in cui tutto ciò era inteso è diverso dal senso
moderno di scienza.
La Fisica delle Particelle come scienza moderna inizia
nel 1930 circa.
Planetario Milano - 20/11/2012
4
A loro volta i protoni e i neutroni sono composti da:
I quark (costituenti un
protone o un neutrone)
sono particelle elementari
quark
quark
PROTONE
quark
1010 m
1014 m
Le particelle “elementari” sono quelle che
costituiscono tutte le altre e che non hanno
una loro struttura interna.
Sono i mattoni costruttivi dell’Universo
Planetario Milano - 20/11/2012
5
Costituenti fondamentali della materia: Quark e Leptoni
Sono elementari al meglio di 10-18 m
Materia ordinaria
Hanno spin e carica ben definiti
Costituiscono la
materia in
condizioni ordinarie
Costituiscono le
particelle instabili
Decadono in particelle stabili
Planetario Milano - 20/11/2012
M
a
s
s
a
6
Come si studiano le particelle elementari? Ad esempio in esperimenti con
acceleratori di particelle.
Ricetta:
• prendere particelle cariche
• accelerarle con sistemi
elettrici e magnetici
(acceleratori)
• farle urtare tra loro
Tunnel di LHC, CERN (Ginevra)
Nei grandi laboratori sistemi
complessi di acceleratori portano
particelle a energie elevatissime
Negli urti tra queste particelle, altre
particelle vengono prodotte. Massa
si trasforma in energia e viceversa
Planetario Milano - 20/11/2012
7
Esperimenti su particelle ai grandi acceleratori:
CMS al CERN di Ginevra
Sistemi complessi composti da
rivelatori specializzati
ATLAS al CERN di Ginevra
Planetario Milano - 20/11/2012
CDF al Fermilab (Chicago)
8
Le particelle elementari, urtandosi tra di loro, creano altre particelle
Continua trasformazione di energia in massa e viceversa
Planetario Milano - 20/11/2012
E  mc2
9
2. Le Interazioni fondamentali
Quali sono le forze che tengono insieme gli atomi e i nuclei ?
L’atomo di
Idrogeno
(deuterio)
I quark stanno
insieme nel nucleo
p  (u, u, d )
n  (u, d , d )
10-15
m
Il nucleo e gli
elettroni sono
legati tra loro
10-10 m
Quarks, elettroni, fotoni come particelle fondamentali nell’atomo
Planetario Milano - 20/11/2012
10
Le forze fondamentali in natura
Gravità
Forza nucleare forte
Forza nucleare debole
Elettromagnetismo
Planetario Milano - 20/11/2012
Idea guida: spiegare tutti i fenomeni
fondamentali con queste interazioni
11
Il concetto di forza
In fisica classica:
In fisica quantistica
• Azione istantanea a distanza
• Campo (Faraday, Maxwell)
• Scambio di quanti
k
F 2
r
Planetario Milano - 20/11/2012
12
Elettromagnetismo
Riguarda tutte le particelle dotate di carica elettrica (quark, leptoni, W)
Responsabile del legame tra particelle
cariche:ad esempio la stabilita’ atomica
Costante di accoppiamento: carica elettrica
Raggio di azione della forza: infinito
La teoria classica: equazioni di Maxwell
(1861)

 F  J

  F    F   F  0
Planetario Milano - 20/11/2012
F: Tensore campo elettromagnetico
J: 4-corrente
13
Gravità
Riguarda tutte le forme di energia (tra cui la massa) dell’Universo
Responsabile del legame tra corpi macroscopici
Teoria di campo classica
(Newton, 1687) per le masse.
Potenziale gravitazionale
 2   4 G 
Densita’ di massa
Teoria di campo “geometrizzata” (Einstein, 1915)
Relativita’ Generale
Il principio di equivalenza tra massa inerziale e massa
(carica) gravitazionale ha permesso di considerare la
gravita’ come una proprieta’ del background
spaziotemporale)
Tensore di Einstein
Costante cosmologica
G  g   
Planetario Milano - 20/11/2012
1 0 0
0  1 0
g ( x)    
0 0  1

0 0 0
Tensore Energia-Momento
8 G
T
c4
0
0 
0

 1
Lontano da
masse/energie
(spaziotempo piatto)
Tensore Metrico
G  G (   g )
14
Forza Nucleare Debole
Riguarda quark e leptoni (portatori di una “carica debole”)
Di norma il processo Debole e’ trascurabile perche’ processi Elettromagnetici e
Nucleari Forti hanno il sopravvento. I processi Deboli sono invece la norma quando:
• Vengono violate leggi di conservazione (conservate nelle interazioni EM o Forti)
• Intervengono particelle non cariche e/o prive di Interazione Forte
Interazioni deboli a corrente carica: decadimento beta dei nuclei:
A(Z , N )  A(Z  1, N 1)  e   e
n  p  e   e
d  u  e   e
Planetario Milano - 20/11/2012
(a livello di nuclei)
(a livello del neutrone libero)
(a livello dei costituenti fondamentali)
15
La Forza Nucleare Debole ha un ruolo importante nelle reazioni di
fusione che avvengono all’interno del Sole
Planetario Milano - 20/11/2012 Planetario di Milano - 21 Febbraio 2012
16
Reazioni nucleari nel Sole: il ciclo pp
99,77%
p + p  d+ e+ + e
84,7%
~210-5 %
d + p  3He +
13,78%
7Be
0,23%
p + e - + p  d + e
3He
13,8%
+ 4He 7Be + 
+ e-  7Li + e
3He+3He+2p
7Li
+ p ->+
7Be
8B
0,02%
+ p  8B + 
 8Be*+ e+ +e 3
++
He+p+e
e
2
Planetario Milano - 20/11/2012 Planetario di Milano - 21 Febbraio 2012
17
Forza Nucleare Forte
Agisce tra i quark che
costituiscono gli adroni
PROTONE
Responsabile della stabilità degli
adroni (barioni, mesoni)
Si attribuisce ai
quark una carica (il
colore)
NEUTRONE
Mediata dai GLUONI
Mediata dai GLUONI
Planetario Milano - 20/11/2012
18
Le Interazioni Fondamentali
Gravità
Elettro
magnetismo
Debole
Forte
Gravitone
Fotone
W,Z
8 Gluoni
Spin
2
1
1
1
Massa
0
0
82,91 GeV
0
Range
∞
∞
10-18 m
10-15 m
Source
Mass
Electric charge
Weak charge
Color
Coupling Constant
(proton)
10-39
1/137
10-5
1
1 GeV Cross Section
10-29 cm2
10-42 cm2
10-27 cm2
Lifetime for decay
10-19 s
10-8 s
10-23 s
Planetario Milano - 20/11/2012
19
3. L’Universo a particelle
Lo schema con cui si descrive la nascita e l’evoluzione dell’Universo è quello del
BIG BANG CALDO
La creazione di Adamo – Michelangelo Buonarroti (1511).
(Musei Vaticani - La Cappella Sistina)
Planetario Milano - 20/11/2012
20
Il modello del Big Bang:
1)
2)
3)
4)
5)
Il red-shift (espansione cosmica)
La nucleosintesi primordiale
La radiazione cosmica di fondo
La Relatività Generale
L’Inflazione
Osservazioni sperimentali
Teoria della Gravitazione
Se l’Universo è in espansione,
nei primi istanti ci si doveva
trovare in una situazione di
densità altissima, temperatura
altissima, energia/particella
altissima
Planetario Milano - 20/11/2012 Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011
21
Particelle/Antiparticelle libere
Una storia termica dell’universo
Planetario Milano - 20/11/2012 Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011
22
Particelle/Antiparticelle libere
e e  
 
  ee
Queste reazioni
creano e
distruggono
particelle/antiparti
celle in ugual
numero
p p 
Quando l’energia scende non è più
possibile creare coppie
particella/antiparticella. Invece tali
coppie si possono distruggere:
ee   
  e  e  NO
Una storia termica dell’universo
Planetario Milano - 20/11/2012 Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011
23
Particelle/Antiparticelle libere
1) particella  antiparticella  energia
2) energia  particella  antiparticella
Reazioni di questo tipo
dovrebbero aver mantenuto
uguale il numero di
particelle e antiparticelle
Al diminuire di T solo la 1
resta possibile e tutte le
particelle/antiparticelle si
annichilano in energia
Una storia termica dell’universo
Planetario Milano - 20/11/2012 Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011
24
Ma l’Universo non
è vuoto. Contiene
MATERIA e non
ANTIMATERIA !
Un processo fisico
ha alterato il
rapporto tra materia
e antimateria nei
primi istanti,
creando un poco
(pochissimo) di
materia in più
Planetario Milano - 20/11/2012 Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011
25
Acceleratori terrestri e cosmici
Affinche’ sia possibile creare/distruggere
particelle elementari, occorre fornire energia
concentrata in dimensioni piccolissime.
Questo avviene negli acceleratori di particelle
terrestri. O negli acceleratori cosmici.
Acceleratore di particelle
Pulsar
Planetario Milano - 20/11/2012
26
Tra gli acceleratori galattici piu’ efficienti…. I Nuclei Galattici Attivi (AGN’s)
Un AGN puo’ accelerare particelle
che attraversano milioni di anni luce
di spazio (che e’ quasi vuoto)
Le particelle accelerate dagli AGN
possono raggiungere il Sistema
Solare e la Terra.
e possono interagire nell’atmosfera.
Sono i Raggi Cosmici
Planetario Milano - 20/11/2012
27
4. Modello Standard
Una discussione introduttiva
Il Modello Standard e’ una descrizione fisica delle particelle elementari e delle
interazioni che avvengono tra di loro
Si tratta di una delle piu’ grandi conquiste concettuali del secolo scorso, frutto
dello sforzo teorico e sperimentale di migliaia di fisici
Il Modello Standard descrive i costituenti elementari e in modo rigoroso ed
essenzialmente completo (ed unificato) l’interazione elettromagnetica e debole.
In modo rigoroso ma non ancora completo anche le interazioni forti
Il Modello Standard descrive particelle che sono state tutte osservate
sperimentalmente (il più recente: IL BOSONE DI HIGGS)
Planetario Milano - 20/11/2012
28
Le Interazioni Fondamentali
Gravità
Elettro
magnetismo
Debole
Forte
Gravitone
Fotone
W,Z
8 Gluoni
Spin
2
1
1
1
Massa
0
0
82,91 GeV
0
Range
∞
∞
10-18 m
10-15 m
Source
Mass
Electric charge
Weak charge
Color
Coupling Constant
(proton)
10-39
1/137
10-5
1
1 GeV Cross Section
10-29 cm2
10-42 cm2
10-27 cm2
Lifetime for decay
10-19 s
10-8 s
10-23 s
Planetario Milano - 20/11/2012
29
Proprietà dei costituenti:
Quark:
• carica elettrica
• colore
• massa efficace
• spin (1/2)
Leptoni:
• carica elettrica
• massa
• spin (1/2)
IMPORTANTE:
Tutti i costituenti (Quark, Leptoni)
sono Fermioni.
Planetario Milano - 20/11/2012
3 famiglie
Costituenti della materia
Portatori
di forza
30
Nel Modello Standard la funzione (di Lagrange) si potrebbe scrivere come :
L  LFORTI  LEM / DEBOLE  M
Interazioni tra i
costituenti
Costituenti
In questo modo le
masse dei costituenti
scritte in modo
esplicito nella funzione
di Lagrange del
Modello Standard
…..MA questa Lagrangiana è non
rinormalizzabile (non trattabile
matematicamente) !!
Planetario Milano - 20/11/2012
31
Il Meccanismo di Higgs è stato proposto per introdurre le masse dei costituenti
fondamentali (e del W,Z) in modo che la teoria fosse trattabile.
L  LFORTI  LEM / DEBOLE  L(h)
Potenziale di Higgs
Questo termine è in grado di generare masse senza violare le proprietà di
rinormalizzabilità della teoria.
Se il meccanismo di generazione delle masse è quello ipotizzato da Peter Higgs (e
Brout, Englert, Kibble, Guralnik, Hagen) nel 1964, allora si deve osservare una
particella a spin 0 (bosone) del tutto nuova.
Planetario Milano - 20/11/2012
32
Interazioni del Bosone di Higgs con le altre particelle della teoria
La ricerca del Bosone di Higgs iniziò (al Fermilab e) al CERN negli anni ‘90
Planetario Milano - 20/11/2012
33
La scoperta del Bosone di Higgs (2012)  l’ipotesi teorica viene confermata
sperimentalmente 48 anni dopo la sua formulazione !
Un successo epocale per la Fisica delle Particelle
(Giovedì, stessa ora, stesso posto. Uno dei protagonisti di questa scoperta ce
la racconterà in dettaglio)
Tutte le particelle del Modello Standard sono state
osservate e tre delle quattro interazioni fondamentali
vengono descritte in un quadro unificato e coerente.
Planetario Milano - 20/11/2012
34
un altro capitolo della comprensione di infinitamente piccolo e infinitamente grande
l  10
18
l  4300 Mpc
cm
t 1023 s
t 13.8 109 y
Grazie della vostra attenzione
Planetario Milano - 20/11/2012
35