Quarks: dalla materia al Big Bang

Nora brambilla
U.Milano
dalla MATERIA
QUARKS:
al BIG BANG
Quarks: i mattoni della Materia
La Forza Forte che tiene insieme la materia
Alle radici della materia: gli acceleratori
Il Confinamento dei Quarks
Liberare i Quarks: viaggio alle origini della Materia
La Fisica delle Particelle
rispondere a domande del tipo:
• Quali sono i costituenti
elementari della materia?
• Quali sono le forze
che
controllano il loro
comportamento al livello
piu’ fondamentale ?
vuole
History of Constituents of
Matter
I Quarks sono i
constituenti
del protone e del neutrone
e di tutti gli adroni
I Costituenti elementari della materia
l’elettrone il protone e il
neutrone fanno tutti gli
atomi di tutti gli elementi
noti nell’universo
proprieta’ dei quarks:
-spin
-sapore
-carica elettrica
frazionaria
-colore
I Costituenti elementari della materia
I quarks si legano a formare la materia
Barioni: 3 quarks
protone: u u d
neutrone: u d d
Mesoni: quark e
antiquark
pione: u dbar
I Costituenti elementari della materia
Domanda:
Che forza lega i quarks
nel protone ?
Una domanda
molto difficile e
molto importante !
Capire la massa del protone
permette di capire cosa
origina tutta la massa
osservata nell’universo!
Le scale dei costituenti elementari
si applica la
meccanica quantistica
Principio di indeterminazione:
1
∆r !
∆E
Per risolvere oggetti piccoli
ci vuole una grande energia
-->Grandi Acceleratori di Particelle
Le scale dei costituenti elementari
A grandi energie
si applica la relativita’
speciale
legge di Einstein:
E = mc2
l’energia puo’ essere convertita in
particelle e viceversa
agli acceleratori aumentando l’energia si
possono creare coppie particella-antiparticella
Cosa e’ un acceleratore ?
1eV = 1.6 · 10−19 Joule
10^17 joule~energia dal sole che colpisce la terra in un
secondo; energia rilasciata dalla piu’ grande arma nucleare,
10^20 joule ~ energia consumata dagli USA in un anno
Perche’ acceleriamo le particelle ?
per vedere all’interno
La sezione d’urto σ
da’ la probabilita’
di interazione tra
il proiettile e il bersaglio
σ da informazioni sul
bersaglio e sulle forze di
interazione
Puo’ essere misurata e
calcolata in teoria
Sondiamo la materia per capire le forze
Una forza ben nota: forza elettromagnetica
forze elettromagnetiche :
interazione tra elettroni (e-,e+)
con fotoni
Optics, telecommunications
Lo scambio di un fotone γ da
l’ interazione tra elettroni (e-,e+)
n termini di diagrammi
di Feynman
costante di
accoppiamento
dell’interazione α =
e-
e+
γ
e
e2
4π
e
r ∼ 1/Q
La forza elettromagnetica e l’accoppiamento
α
V (r) = −
r
α
F (r) = − 2
r
Constante di
accoppiamento:
α(r) a piccole distanze “corre”
effetto di schermo di una
carica Q in un mezzo dielettrico
e+
γ
γ
e+ e-
γ
e-
effetto di schermo di cariche nel
vuoto per la creazione di coppie di
particelle
Qual e’ l’ interazione tra i quarks?
La studiamo agli acceleratori ad alta
energia :
Tevatron Fermilab, p pbar E= 1 Tev
RHIC, BNL collisioni di ioni pesanti; Hera, Desy; GSI, Darmstadt
Vedere, classificare e contare i quarks
ad alte energie!
R
10
3
10
2
J/$
Cross section
$(2S)
Z
Hadrons
#
"
10
!
!
1
E
-1
[GeV]
10
!
σ(e+ e− → had)
2
R=
=
N
e
c
f =
+
−
+
−
σ(e e → µ µ )
1
10
10
2
f
2 2
1 2
1 2
2 2
1 2
2 2
= 3(( )u + (− )d + (− )s + ( )c + (− )b + ( )t )
3
3
3
3
3
3
10/3 11/3
2
Vedere, classificare e contare i quarks
ad alte energie!
I Quark esistono
in sei sapori : u, d, c, s, t, b con masse diverse
in tre colori: rosso, verde, blu
I quark interagiscono scambiando gluoni colorati
Ad alte energie la forza con cui interagiscono e’
piccola: liberta’ asintotica
A basse energie non vediamo i quarks
adronizzazione: non ci sono quarks liberi!
gli stati finali
nei rivelatori
sono sempre Adroni
π, K, ρ, ω, Ξ...
Nessun QUARK!
Confinamento
dei quarks nei
mesoni e nei barioni!
QCD: la teoria delle interazioni forti
La QuantoCromodinamica (teoria dei
colori quantistica) spiega come i quark
interagiscono scambiandosi gluoni per formare
tutta la materia osservata
QCD: la teoria delle interazioni forti
QCD e’ una teoria di campo
quantistica relativistica)
basata sulla simmetria di
gauge di colore
Simmetria: il principio organizzatore
essenziale in fisica
Quando un sistema fisico ha una simmetria puo’ essere descritto
sulla base di meno osservazioni rispetto ad un sistema che non ha
simmetria.
Simmetria= Capacita’ predittiva
Simmetria= Capacita’ predittiva
Nella pittura reale, la simmetria e’ rotta
Piero della Francesca: Polittico della Misericordia
In fisica:
Simmetria globale <--> leggi di conservazione e numeri quantici
Simmetria locale <--> forze, la simmetria determina la dinamica
(geometrizzazione delle forze!)
I Quarks esistono in tre colori
ma non osserviamo il colore.
Se imponiamo che il colore sia una
simmetria esatta locale:
-la forma dell’ interazione tra quarks e’
fissata
-i quark interagiscono scambiando 8
gluoni colorati
-solo barioni e mesoni possono esistere come
stati fisici
QCD
g2
αs =
4π
"
la costante di accoppiamento con
cui i quarks interagiscono
s
confinamento
"= s
1
# log Q /!
2
2
0
0.4
0
0.3
0.2
liberta’ asintotica
0.1
!
1 GeV
100 GeV
αs grande:
metodi non perturbativi:QCD su reticolo
QCD viene formulata su un reticolo spazio-temporale
discreto-space -> simulazioni su computer
dell’interazione di quarks e gluoni
su reticolo
quark
gluon
si usano supercomputer ad alte
prestazioni
Centro Computazionale Leibniz a Monaco
prestazioni di picco di piu’ di 62 Tflops/s
IBM Blue Gene picco 360 Tflops: ricerca biologia, protein folding
Confinamento:experimenti su computer
2
!=6.0
!=6.2
fit
1.5
GeV
V (r)
1
0.5
0
-0.5
0.2
0.4
0.6
0.8
r/fm
1
1.2
1.4
1.6
4 αs
V (r) = −
+ cr
3 r
4 αs Confinamento
F (r) = − 2 + c
3r
Confinamento: esperimenti al computer
formazione di tubi di
flusso elettrico
E’ possibile rendere liberi i quarks?
Si!
ad alte temperature e grandi densita’:
si puo’ formare un gas di quarks e gluoni
UN NUOVO STATO DELLA MATERIA!
UN NUOVO STATO DELLA MATERIA!
materia nucleare normale
materia nucleare
estremamente compressa
T ~170 Mev
densita’ di energia ~1Gev/
fm^3
i quark e i gluoni diventano liberi di muoversi
Verso le origini dell’UNIVERSO
Ricreare in laboratorio condizioni di
temperatura e densita’ simili a quelle
esistenti pochi microsec dopo il Big Bang
il 1 esperimento di fisica delle particelle:il big bang
10 microsecondi: i
quark formano i
protoni
300000 anni: i
nuclei catturano ee formano gli atomi
13700000000 anni:
oggi
Teoria: diagramma di fase di qcd
Deconfinamento dei quark a temperatura finita
Simulazioni di QCD su reticolo
2.5
F(R,T)/!1/2
2
V (r, T )
0.76
0.81
0.87
0.90
0.96
1.00
1.02
1.07
1.11
1.16
1.23
1.36
1.50
1.65
1.81
1.98
1.5
1
0.5
0
!0.5
R !1/2
!1
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
c
4 αs −µr
−µr
V (r, T ) = − (1 − e
)−
e
µ
3 r
effetto di schermo del mezzo e Deconfinamento
F (r, T ) = ce
−µr
4
1
µ −µr
− αs ( 2 + )e
3
r
r
Esperimenti: collisioni di ioni pesanti
Due nuclei si avvicinano a
grandi velocita’ e collidono
collisioni di ioni pesanti
Due nuclei si avvicinano a
grandi velocita’ e collidono
creano una zona a
grandissima densita’ di
materia nucleare
collisioni di ioni pesanti
Due nuclei si avvicinano a
grandi velocita’ e collidono
creano una zona a
grandissima densita’ di
materia nucleare
in questa zona si
puo’ formare un plasma
di quark e gluoni
collisioni di ioni pesanti
Due nuclei si avvicinano a
grandi velocita’ e collidono
creano una zona a
grandissima densita’ di
materia nucleare
in questa zona si
puo’ formare un plasma
di quark e gluoni
durante l’espansione gli
adroni si formano
e arrivano nei rivelatori: Un problema formidabile!
migliaia di particelle da
misure di numero di
misurare e collegare alla
particelle, spettri di
formazione di QGP
energia, di momento
collisioni di ioni pesanti
Un problema formidabile!
migliaia di particelle da
misurare e collegare alla
formazione di QGP
Risultati recenti da RHIC (BNL)
indicano che il gas di quark e
gluoni e’ in realta’ un liquido!
Macchine del big bang presenti e future
In Conclusione:
I nuclei sono composti da quarks tenuti insieme dalle
interazioni forti (diverse dalle e.m. per gli atomi, etc)
QCD e’ la teoria delle interazioni forti
3 quarks colorati interagiscono attraverso8 gluoni colorati
La forma dell’ interazione e’ fissata dalla simmetria
Le interazioni forti hanno un comportamento peculiare:
liberta’ asintotica e confinamento
QCD ci fornisce gli strumenti teorici per calcolare
le osservabili, sezioni d’urto...
Gli esperimenti agli acceleratori forniscono nuovi
dati e indicano che lostato primordiale della materia
e’ un liquido di quark e gluoni
in Prospettiva:
QCD e’ la teoria delle interazioni forti: grandi
contributi alla comprensione delle forze fondamentali
sono venuti da QCD (premio Nobel 2004)
Abbiamo di fronte a noi molte nuove ed
affascinanti sfide:
• Confinamento:
un problema da 1 million $
• La
ricerca di un nuovo stato della materia
a RHIC e a LHC
• Ricreare in laboratorio le condizioni esistenti a 10-6
secondi dal Big-Bang e le transizioni di fase cosmiche
Un futuro di ricerca molto stimolante
per i giovani
Importance of Science
Crediti e bibliografia:
CERN Outreach resources
http:// www.cern.ch
http://education.web.cern.ch/education
Cern Summer Lectures, by Luciano Maiani
BNL Resources http://www.bnl.gov
Stefan Scherer, U. Frankfurt, dynamics of coloured quarks
Wikipedia the free Encyclopedia
http://www.wokipedia.org