Le sfide della fisica delle particelle

La
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!
G.Battistoni, INFN Milano
La storia in 5 minuti…
La prima idea di cosa fosse fondamentale…
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I Mattoni dell’Universo che
costituiscono la materia
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
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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”.
I fisici hanno cominciato già dalla metà del XX secolo a
chiamare questi componenti con il nome di “particelle
elementari”.
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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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Altre particelle: i neutrini
Per completare il quadro serve un’altra particella senza
struttura: una particella molto “leggera” e neutra
chiamata “neutrino”.
W. Pauli
Essa ha un ruolo fondamentale nelle reazioni che
converto neutroni in protoni, e viceversa. Queste
reazioni permettono alla matera di rimanere stabile e
sono anche importanti per il funzionamento del Sole e
delle altre stelle.
G.Battistoni, INFN Milano
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: la materia cosmica che arriva dallo spazio,
la materia ad alta energia che creiamo in laborarorio e
“l’immagine speculare” di tutto questo: l’antimateria.
Abbiamo perciò bisogno di una descrizione molto più
generale e più particelle: la teoria che oggi chiamiamo iil
“Modello Standardi”.
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La Materia Cosmica
Alcuni “raggi cosmici” passano attraverso il nostro corpo
ogni secondo, a prescindere dal luogo in cui siamo sulla
superficie terrestre.
Essi consistono di particelle create quando dei protoni (o
dei nuclei atomici) che vengono dallo spazio
extraterrestre collidono con gli atomi dell’atmosfera. Non
vengono prodotti solo elettroni, protoni e neutroni, ma
anche altri tipi di particelle...
Fra questi ci sono i “muoni” (m) : sono simili agli elettroni
ma sono 200 volte più pesanti. Inoltre, al contrario degli
elettroni, che sono stabili, i m vivono circa 2.2
microsecondi (ms) G.Battistoni, INFN Milano
x m
nm
ne
e
t
Decadendo, il muone si converte in un elettrone e 2
neutrini: il neutrino dell’elettrone e il neutrino del muone.
I muoni a loro volta vengono principalmente dal
decadimento di altre particelle a vita media breve. Alcune
di queste chiamate pioni (p) sono fatti di quarks “up” e
“down”. Altre (i mesoni K) contengono un terzo tipo di
quark, chiamato “strange”.
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Perché i fisici studiano le
particelle subatomiche?
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. Per pochi
istanti, dopo il “Big Bang”, tutte queste particelle hanno
convissuto.
G.Battistoni, INFN Milano
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.
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.
G.Battistoni,
INFN Milano
Relativita’ di spazio e tempo
1) spazio e tempo formano un “continuo” 4dimensionale
2) “invarianza” delle leggi del moto in riferimenti inerziali
3) la velocita’ della luce (c) nel vuoto e’ una costante,
indipendetemente dal riferimento
Fra le conseguenze:
Equivalenza di massa e energia
E  mc
2
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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Materia ad alta energia
E’ difficile lavorare con in raggi cosmici: arrivano a caso da
tutte le direzioni e con differenti energie. Il modo per
studiare le particelle di energie così alte in modo
controllato é l’uso degli acceleratori di particelle.
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 nt.
G.Battistoni, INFN Milano
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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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 anti-particelle: 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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L’annichilazione di un anti-protone
Tracce in “emulsioni nucleari”
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L’annichilazione elettrone-positrone
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Materia e AntiMateria nell’Universo
Abbiamo motivi per credere che quando si é originato
l’Universo, circa 13.7 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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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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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 di una parte
dell’instabilità dei nuclei atomici: fenomeno del
decadimento nucleare, come il decadimento del neutrone
(decadimento b): n
p e- ne
E’ anche alla base del processo di combustione
dell’idrogeno nelle stelle.
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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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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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leptoni
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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)
x1, t1
e(p’)

p(k)
x2 , t 2
p(k’)
Un fotone viene “scambiato”
fra la 2 particelle:
esso media l’interazione
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t
Il Decadimento b nel Modello Standard
u
u
d
d
u
d
neutrone
W-
n
p e ne
e
ne
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protone
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
G.t’Hofft
G.Battistoni,
INFN Milano
M.Veltman
Nobel 1983
C. Rubbia
Scoperta del W e Z
Esp. UA1
al CERN
sul collider
SPS
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Siamo alla fine della storia?
Oggi il Modello Standard é quanto di meglio abbiamo, ma
non riesce a spiegare tutto. Fra le domande ancora non
risolte le più importanti sono:
•Quale é l’origine della massa delle particelle?
•Si possono unificare tutte le forze?
•Dove é andata l’antimateria?
•L’universo ha bisogno di anche altra materia (quella che
chiamiamo la “Materia Oscura”) di cose é fatta?
Siamo coscenti che il Modello Standard é solo una tappa
di un cammino ancora molto lungo...
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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
HiggsINFN
esiste
G.Battistoni,
Milano davvero!
Alla caccia del Bosone di Higgs
La ricerca del bosone di Higgs é iniziata al CERN con
l’acceleratore LEP e continuera con la prossima macchina: il
Large Hadron Collider (LHC).
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Come si studiano le particelle?
Le particelle sono molto piccole (0.000000000000001 m,
ovvero 10-15m) , e non si possono vedere con mezzi ottici:
abbiamo bisogno di strumenti particolari.
Per prima cosa abbiamo bisogno di acceleratori: macchine
capaci di portare queste particelle ad alta energia e farle
collidere con altre particelle.
Attorno al punto dove le particelle si scontrano dobbiamo
costruire degli apparati in grado di “osservare” le particelle
prodotte: i “rivelatori” di particelle.
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Acceleratori come miscroscopi
Cerchiamo di capire perché i microscopi non bastano.
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!
All’inizio del XX secolo abbiamo capito che le particelle si
comportano come onde, la cui lunghezza d’onda é
inversamente proporzionale alla loro quantità di moto!
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L. DeBroglie
Perciò, dettagli piu piccoli di 1 micron si possono
esaminare usando elettroni sufficientemente energetici: é
il principio del microscopio elettronico usato in biologia o
in metallografia.
Il microscopio elettronico é un piccolo accelaratore.
Se allora vogliamo investigare dettagli un miliardo di
volte piu piccoli di 1 mm dobbiamo usare energie un
miliardo di volte piu grandi rispetto a quelle di un
microscopio elettronico!
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Ma come funziona un
acceleratore?
Un acceleratore é una camera a vuoto circondata da una
serie di pompe da vuoto, magneti, cavità a radiofrequenza e circuiti elettronici
Dentro il tubo a vuoto, le particelle cariche sono
accelerate da campi elettrici. Questi sono applicati sotto
forma di radio-onde che vengono immesse in delle cavità
risonanti (“cavità a Radio Frequenza”). Le radio onde
trasferiscono parte della loro energia alle particelle.
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Per poter utilizzare un numero limitato di queste cavità,
facciamo andare le particelle in un percorso lungo un
anello circolare, passando e ripassando nelle stesse
traiettorie molte volte: anelli circolari
Le particelle si fanno curvare mediante campi magnetici.
Più grande é l’energia di una particella maggiore deve
essere il campo necessario per farla curvare.
Ma non sappiamo fare campi magnetici più intensi di ~10
Tesla (usando la tecnologia della superconduzione): ad
altissime energie gli acceleratori devono essere molto
grandi!
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Particelle accelerate e relatività
Le particelle sono accelerate ad energie tali per cui
arrivano ad avere velocità praticamente prossime a quelle
della luce.
Per descriverne il moto non possiamo usare la meccanica
classica, ma solo la meccanica della relatività ristretta.
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Gli acceleratori del CERN
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LHC
Il Large Hadron Collider (LHC) inizierà ad operare nel
2007, facendo collidere fasci di protoni da 14 TeV.
1 TeV corrisponde all’energia del moto di una zanzara in
volo. Quello che rende LHC straordinario é il fatto che
concentrerà questa energia in un volume di spazio un
milione di milioni più piccolo di una zanzara!
L’obiettivo di LHC é lo studio del meccanismo di Higgs e
di aprire le porte al superamento del Modello
Standard...
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LHC: una simulazione virtuale
di un pezzo dell’acceleratore
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Come facciamo a vedere le
particelle?
In realtà non possiamo vederle! Possiamo rivelare la
traccia del loro passaggio nella materia, possiamo fare in
modo che rilascino la loro energia e misurarla. Possiamo
misurare la carica elettrica e la quantità di moto con un
campo magnetico...
Mettendo insieme le informazioni per ogni “traccia di
particella” che viene da una collisione, possiamo ricostruire
quello che e successo in ogni “evento”
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La struttura di un apparato di
rivelazione
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“Tracking chambers”
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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Diversi tipi di esperimenti
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Gli esperimenti per LHC
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La simulazione di un evento
nell’esperimento ATLAS per LHC
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Scienza o Arte?
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IL progetto di fascio di neutrini da Ginevra
al Gran Sasso
732 km
nm
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Scopo:
Rivelazione
definitiva e
convincente della
trasformazione in
volo nm nt
Una interazione di neutrino in Argon
46 cm max. drift distance
nm  n  m   p
CERN
n-beam
G.Battistoni,
INFN Milano
ICARUS-CERN-Milano
A parte la scienza di base, la
fisica delle particelle e’ utile?
Acceleratori e Rivelatori richiedono sviluppi tecnologici ad
altissimo livello, spesso non disponibili ancora a livello
industriale.
La tecnologia sviluppata in fisica delle partielle ha
ricadute nella terapia dei tumori, nella diagnostica
medica, nell’ “Imaging” industiale, nel campo degli
strumenti di misura, dell’elettronica e dell’informatica:
il WWW e’ G.Battistoni,
stato inventato
INFN Milano al CERN!
Particelle per la medicina: Terapia del
cancro ma molto di più
Oggi ci sono circa 10000 acceleratori di
particelle nel mondo, e più della metà sono
usati in medicina e solo alcuni per la
ricerca fondamentale.
Gli acceleratori in medicina sono usati in 2 modi:
“Imaging” (diagnostica) e terapia.
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Imaging
Una forma complementare di diagnosi rispetto ai Raggi X
fa uso di sostanze radiofarmaceutiche: sostanze radioattive
che possono essere iniettati nel paziente. Una volta che
sono nel corpo umano vengono fissati da certi tessuti o
organi. Al momento in cui decadono, le particelle emesse
possono essere rivelate e analizzate, dando informazioni
utili sulle caratteristiche morfologiche e/o funzionali
dell’organo in esame.
I radiofarmaceutici vengono prodotti usando fasci di
protoni ad alta intensità da acceleratori.
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Terapia
La radioterapia è un trattamento che si applica più di
metà dei malati di cancro. Una sorta di “chirurgia
biologica” dove il bisturi é sostituito da un fascio di
particelle capace di sterilizzare le cellule maligne
rompendo il DNA che causa la loro moltiplicazione.
Lo sviluppo più recente, dopo i raggi X, , gli elettroni e i
neutroni, sono i fasci di adroni (protoni, nuclei) di energia
opportunamente regolata: al contrario dei raggi 
tradizionali, possono depositare energia in una regione
ben delimitata.
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Trattamento dei tumori
della retina
con un fascio di protoni
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Particelle per la ricerca:
dai virus alle stelle
Gli acceleratori sono indispensabili in un vasto range di
discipline.
Interessanti applicazione vengono dallo sfruttamento
della “radiazione di sincrotrone” raggi X emessi da fasci
di particelle curvanti: usati per l’analisi di strutture
molto piccole: dai virus fino ai nuovi materiali.
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Con gli acceleratori si possono produrre artificialmente
particelle ed elementi instabili.
Gli elementi instabili hanno un ruolo importante nella
catena della fusione nucleare delle stelle.
Sono anche importanti nella tecnologia dei semiconduttori.
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La comprensione dell’Universo
Eta’
dell’Universo
Temperatura
Densita’
Energia
1012 s
104 K
10-18 g/cm2
1 eV
1s
1010 K
106 g/cm2
106 eV
10-6 s
1013 K
10-6 g/cm2
109 eV
10-12 s
1016 K
10-30 g/cm2
1012 eV
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t = 15 109 anni: vita , noi, ora, T = 3 K
t = 5 109: anni galassie
t=1
109
anni: Proto-galassie
era della materia
t = 3 105 anni: Disaccoppiamento materia-radiazione T=3000 K
t = 104 anni: Inizia l’era dominata dalla materia
t = 180 s: Nucleosintesi T=7.5 108 K
T= 1.8 104 K
era della radiazione
t = 1 s: Annichilazione elettroni-positroni T=1010 K
-4 s: Era “leptonica”
t ~ 10
-6
13
t < 10 s: i quarks si combinano in p e n T=10 K
t ~ 10-10 s: Separazione forza elettro-debole T=1015 K
t < 10-36 s: “Era della Grande Unificazione” T=1028 K
t = 10-43 s: Tempo di PlancK: Limite della fisica moderna
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Particelle per l’industria: applicazioni
tecnologiche
Ci sono adesso molte applicazioni che usano direttamente acceleratori o
che beneficiano della tecnologia degli acceleratori. Si possono fare alcuni
esempi.
Irradiazione con fasci di elettroni:
sterilizzazione, qualità dei materiali...(esempio dei guanti di gomma),
litografia dei chip di silicio
Impiantazione di ioni sulle superfici di materiali.
(esempio dei motori di aero, articolazioni artificiali)
Attivazione di strati
Scanners: ricerca di esplosivi ed altre sostanze
Strumenti per il “survey” geometrico
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Conclusioni
L’Universo é regolato da poche forze fondamentali e la
materia é composta da un numero limitato di blocchi
fondamentali
Siamo capaci di comprendere gran parte di questo
quadro, ma non é ancora completo!
Abbiamo bisogno di nuove forze per continuare
l’esplorazione più affascinante che l’umanità abbia mai
intrapreso: ti aspettiamo!!!
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