La Fisica delle Particelle Elementari
Prof. Antimo Palano
Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
e
Dipartimento di Fisica dell’Universita’ di Bari
Introduzione
La fisica della particelle elementari studia:
La struttura piu’ piccola della materia.
La nascita e l’evoluzione dell’universo.
La natura delle forze che formano l’universo in
cui viviamo.
I componenti piu’ piccoli della materia
•
•
•
Un secolo circa di ricerche
effettuate con le tecniche piu’
varie, ci hanno portato ad avere
una conoscenza avanzata della
struttura piu’ piccola e a grande
scala della materia.
4 forze fondamentali:
Forte, elettromagnetica, debole,
gravitazionale
6 + 6 particelle “puntiformi”
fondamentali:
6 quarks (u, d, s, c, b, t)
6 leptoni (e, m, t, ne, nm, nt)
Mediatori delle forze
g, g,W, Z
Higgs?
Le Forze Fondamentali della natura
La forza forte: energia
nucleare
La forza
elettromagnetica:
atomi, molecole
La forza debole:
radiattivita’
La forza di gravita’:
galassie
Le particelle elementari
Ne esistono centinaia, tutte
instabili tranne:
protone, elettrone, neutrino
La struttura piu’ piccola della materia.
La fisica delle particelle
studia l’infinitamente
piccolo:
Come si studia la struttura dell’universo
Strumenti utilizzati per studiare le varie scale della
materia: dall’infinitamente grande all’infinitamente
piccolo.
PEP-2 / BABAR - Stanford, California
Collaborazione:
ca. 550 fisici da 11 Nazioni
12 Universita’ Italiane
Canada
China
Germany
France
Great Britain
Italy
Netherlands
Norway
Russia
USA
L’acceleratore di elettroni PEP-II
Energia: 9 GeV e- su 3.1 GeV e+ (massa del protone
1GeV)
Una sezione curva di PEP-II
Acceleratori di particelle.
Piu’ alta l’energia degli acceleratori, piu’ si
va indietro nel tempo nella vita dell’universo,
quando si formarono protoni, nuclei e atomi.
Gli acceleratori come Large Hadron Collider
(LHC) e il futuro Linear Collider (ILC) sono
come telescopi che guardano i primi istanti di vita
dell’universo
LHC
Le grandi domande sull’Universo.
The “Quantum Universe” report gives nine key questions
I. Il sogno di Einstein
in three major areas.
1.
Nuove Leggi della Fisica?
2. Energia scura?
3. Altre dimensioni spaziali?
II. Il mondo delle
particelle
4. Unificazione delle forze?
5. Nuove particelle?
6. Materia scura?
III. La nascita
dell’universo
7. Cosa sono I
neutrini?
8. Come nacque
l’Universo?
9. Dove si trova
l’antimateria?
L’antimateria
P.A.M.Dirac: 1928
o Prevista dallo studio della
Meccanica Quantistica
g e e
Scoperta nel 1932:
L’energia si coverte in
materia-antimateria
Positrone = Anti-elettrone
o La stessa massa.
o Carica opposta.
o Identici dal punto di vista
delle leggi della fisica
Anti-atomo: antiprotone, antineutrone,
positrone
L’antimateria.
Quando l’universo nacque con
il Big Bang, le leggi della
fisica vogliono che si
producesse tanta materia
quanta antimateria.
Non vi e’ traccia di antimateria
nell’universo. Dove e’ andata a
finire?
Una possibilita’: materia e
antimateria sono leggermente
diverse.
L’esperimento BaBar.
1. Start with a few x 107 B0 B0 pairs (more is better)
2. Reconstruct one B in a CP eigenstate decay mode
Uno dei piu’ grandi successi della fisica degli ultimi 10 anni:
piu’ di 200 pubblicazioni.
Grande contributo Italiano.
Tracciatore di Vertici al Silicio (SVT)
•5 strati di strip di silicio a doppia faccia, ~150 000 canali.
Costruito in Italia.
•Ansaldo di Genova: il magnete superconduttore
•Costruito in Italia il rivelatore di m.
La scoperta dell’asimmetria materia-antimateria
e+e – (4S)
e+
(4S)
B0 B0
e
bb
J=1
t tag
e+
Btag identificato
t CP
BCP analizzato
Per poter osservare il fenomeno occorre misurare la differenza in tempo fra le due
disintegrazioni. Distanze: 300 mm
B 0 J / KS0
KS0
J /
Misura della differenza in tempo di
disintegrazione fra materia e antimateria
Ks modes
Materia e antimateria si comportano in modo diverso!
Altre dimensioni spaziali
La teoria delle stringhe richiede
almeno altre 6 dimensioni spaziali.
Queste dimensioni sono curvate
come spirali in un tubo di
diametro piccolissimo.
Queste dimensioni extra
potrebero unificare tutte le forze.
L’ unificazione delle forze
Alla scala delle energie che noi vediamo le 4 forze fondamentali
sono distinte.
Alla scala di LHC e ILC le forze Elettromagnetiche e Deboli si
unificano.
Potremo quindi avere informazioni sulla grande unificazione
delle forze.
go here
sense whats happening here
Il mistero dei neutrini.
A che servono 3 neutrini?
Esperimenti con neutrini. Si creano neutrini di un
tipo in un acceleratore e si rivelano a grandi
distanze dove si trasformano in un’altro tipo.
MINOS
Opera
Cosa sono materia ed energia scure?
La fisica delle particelle.
Sforzo collettivo di fisici, matematici, chimici,
ingegneri meccanici, informatici ecc.
Alle frontiere della conoscenza e della
tecnologia.
Collaborazioni internazionali di molti paesi.
Vengono creati nuovi strumenti e nuove
tecnologie.
Esempio: il World Wide Web e’ stato creato
dai fisici del CERN.
Spazio per fantasia e iniziative individuali.
2003: scoperta a Bari una nuova particella
subnucleare nell’esperimento BaBar.
A cosa serve?
Esempio del premio Nobel L. Lederman:
Negli anni 30 i fisici discutevano sulla fisica e
filosofia della Meccanica Quantistica.
Nel 1948 furono scoperti i materiali semiconduttori.
Anni 60, transistors e poi circuiti integrati.
Anni 80, i computers cominciano a diffondersi
in tutto il mondo.
L’impatto sulla societa’ delle nuove scoperte puo’
anche verificarsi dopo 50 anni.
