Sguardi sulla fisica contemporanea:
Dalla seconda rivoluzione
scientifica alla scoperta del
Bosone di Higgs
Mario De Vincenzi
Dip. Matematica e Fisica
Università Roma Tre
Le rivoluzioni scientifiche
Prima
•
•
•
•
Seconda
Copernico (1543)
Keplero (1609)
Galilei (1630-40)
Newton (1687)
8 feb 2014
• Einstein (1905)
• Plank (1900)
Sguardi sulla fisica contemporanea
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I SUCCESSI della FISICA dell’800
e i primi elementi di crisi della visione meccanicistica
o 1810-1820: la luce descritta quantitativamente come fenomeno ondulatorio
(Young e Fresnel)
o 1820-1830: viene fondato l’elettromagnetismo (esperimento di Ørsted Experimenta circa effectum conflictus electrici in acum magneticum-, ricerche di
Ampere, Arago e di Faraday.
o Anni Venti: Sono formalizzate le leggi che descrivono le relazioni fra calore e
lavoro; nasce la termodinamica (Carnot e Klapeyron).
o Anni Quaranta: viene enunciato il principio di conservazione dell’energia
(Mayer, Joule, Helmotz); valido per qualunque sistema fisico isolato.
o Anni settanta: fenomeni elettrici e magnetici vengono inquadrati nelle equazioni
di Maxwell e nel campo; la luce, come radiazione elettromagnetica, inglobata
nell’elettromagnetismo.
o 1887: L’esperimento di Michelson Morley nega l’esistenza dell’etere luminifero
o 1895: Thomson e Millikan confermano sperimentalmente la natura corpuscolare
dell’elettrone
o 1896: vengono scoperti i raggi X (Rötgen) e le emissioni radioattive (coniugi
Curie).
o 1911: modello atomico planetario dell’atomo (Rutherford)
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LA FISICA dell’800:
Concezione deterministica della realtà
Pier Simon de Laplace (1729-1827)
“Lo stato attuale del sistema della natura consegue
evidentemente da quello che era all’istante
precedente e se noi immaginassimo una intelligenza
che ad un istante dato comprendesse tutte le
relazioni tra le entità di questo universo, essa
potrebbe conoscere le rispettive posizioni, i moti e le
disposizioni generali di tutte quelle entità di
qualunque istante del passato o del futuro”.
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Sguardi sulla fisica contemporanea
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Equazioni di Maxwell
Spiegano tutti i
fenomeni elettrici, tutti i
fenomeni magnetici e la
loro interazione,
compresa l’emissione
delle onde
elettromagnetiche
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Alla fine dell’800 ci si domanda:
LA FISICA E’ FINITA?
Nel 1871, in occasione dell’inaugurazione del
Cavendish Laboratory di Cambridge, J.C.Maxwell
affermava:
“E’ opinione che entro pochi anni tutte le grandi
costanti fisiche saranno state valutate e la sola
cosa che resterà da fare agli scienziati sarà
quella di raffinare la loro misura di un altro
decimale.”
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Equazioni di Maxwell
I primi dubbi
Spiegano con successo
tutti i fenomeni elettrici,
tutti i fenomeni
magnetici e la loro
interazione, compresa
l’emissione delle onde
elettromagnetiche,
ma il SR non è
specificato ….
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Inconsistenze nell’elettromagnetismo
1. Le eq. di Maxwell contengono «c».
«non invarianti per trasformazioni galileiane»
2. Quale mezzo viene eccitato dalle onde
elettromagnetiche? L’etere (forse)
(L’esperimento di Michelson-Morley mostra
che la velocità della luce non dipende dal
sistema di riferimento. L’etere non esiste!)
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I protagonisti della
Seconda Rivoluzione Scientifica
( i principali)
• Albert Einstein:
rivoluziona il concetto di spazio e tempo
• Max Plank, Niels Bohr e molti altri
rivoluzionano il concetto di energia e…
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La Relatività
Einstein afferma:
«Le leggi della fisica sono le stesse in ogni sistema di
riferimento inerziale»
e
«La velocità della luce è la stessa in qualsiasi sistema di
riferimento venga misurata»
La relatività risolve le inconsistenze dell’elettromagnetismo, e ha altre importantissime conseguenze
sulla concezione dello spazio e del tempo che al senso
comune spesso appaiono come paradossi.
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Salvator Dalì La Persistenza della memoria
Il Tempo relativistico
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Salvator Dalì La Persistenza della memoria
Relatività e tempo
Molte sono le conseguenze della relatività
che mettono alla prova il senso comune.
In particolare, il tempo in relatività ha un
significato completamente differente da
quello della fisica classica.
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Salvator Dalì La Persistenza della memoria
La Simultaneità
Ad esempio la relatività impone una revisione critica
del concetto di simultaneità
• Per l’osservatore sul treno gli eventi sono
«simultanei»
• Per l’osservatore sulla banchina il segnale luminoso
arriva prima in A e poi in B!
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Salvator Dalì La Persistenza della memoria
Il Tempo relativistico
La teoria della relatività ci dice che dobbiamo
rinunciare al concetto di tempo assoluto tipico della
fisica ottocentesca.
Ogni corpo ha un suo tempo proprio che scorre in
modo differente da quello degli altri corpi.
Quindi «il tempo» non ha quel valore assoluto che il
senso comune generalmente le assegna.
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Il Corpo Nero
Intensità della Radiazione
Legge classica
Catastrofe Ultravioletta !?
Legge di Plank.
Spiega correttamente i dati
Frequenza
Planck fa l’ipotesi che l’energia sia QUANTIZZATA
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Spettri di emissione
Gli spettri di emissione
luminosa degli atomi
sono QUANTIZZATI
La meccanica classica
non è in grado di
spiegare gli spettri di
emissione degli atomi
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I paradossi della meccanica quantistica
Da R. Feynman «La legge Fisica» Boringhieri 1965
… diverse persone, certamente più di dodici, capirono
in un modo o nell’altro la teoria della relatività. Invece
credo di poter dire con sicurezza che nessuno ancora
comprende la meccanica quantistica.
*…+ Vi dirò come si comporta la natura. Se ammetterete
semplicemente che essa si comporta in questo modo,
la troverete una cosa incantevole e meravigliosa.
Se ci riuscite, cercatevi di non chiedervi: «Ma come
può essere così?» perché entrereste in un vicolo cieco
da cui ancora nessuno è uscito. Nessuno sa come possa
essere così.
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I paradossi della meccanica quantistica
L’esperimento delle due fenditure contiene tutti i
misteri della meccanica quantistica
Onda incidente
Fenditure
Diffrazione
Interferenza
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L’esperimento della doppia fenditura
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I paradossi della meccanica quantistica
Onde
Elettroni o Atomi
Pallini
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I paradossi della meccanica quantistica
L’esperimento della doppia fenditura
Pallini
Onde
Elettroni o Atomi
Corpuscoli (unità)
Ampiezza
Corpuscoli (unità)
Misura della probabilità
di arrivo
Misura della intensità Misura della probabilità di
dell’onda
arrivo
No-Interferenza
Interferenza
Interferenza
Quindi la proposizione:
«L’elettrone passa dalla fenditura 1 oppure passa
dalla fenditura 2»
è FALSA!
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La Fisica del secondo novecento
(la prossima terza rivoluzione ?)
Fisica Subnucleare:
Formalizzazione della elettrodinamica
quantistica
Teoria dei campi per le particelle
elementari .
Il modello standard della fisica delle p.e.
La Cosmologia:
Radiazione di fondo a 2.7k
La teoria dell’universo inflazionario
Materia oscura
Energia Oscura
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Il Modello Standard
NEUTRONE
u
d
d
u
d u
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PROTONE
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Il «CAMPO»
in fisica
Un porzione di spazio in cui è
definita una grandezza fisica che
dipende unicamente dal punto
(x,y,z) e dal tempo.
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La Teoria Quantistica dei Campi
(Quantum Field Theory)
• QFT tratta le particelle come stati eccitati di un
campo sottostante.
• La QFT descrive la creazione e la distruzione di
particelle (reazioni nucleari)
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Il Bosone di Higgs
• Il Modello Standard suppone l’esistenza di un campo
detto di Higgs che permea lo spazio.
• Interagendo con questo campo le particelle
acquisiscono massa.
• Le particelle che interagiscono fortemente con il
campo di Higgs sono “pesanti” ; le particelle che
interagiscono debolmente sono “leggere”
• il campo di Higgs ha almeno una particella associata
alla sua esistenza (il bosone di Higgs)
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Perché il Bosone di Higgs è importante
• La Massa delle particelle determina l’evoluzione
dell’universo
• Criticità del valore della massa dell’elettrone
• Perché tutte le particelle (elettroni, quark,
neutrini, …) hanno massa tranne il fotone?
• Massa dell’Elettrone messa «a mano» nelle eq.
• Forza nucleare debole (decadimenti radioattivi)
• Interazioni deboli e particelle, massive, «W» e «Z»
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Perché il Bosone di Higgs è importante (2)
• Le masse di W e Z non possono essere inserite a
mano nella teoria!
• 1960 (circa) Higgs inventa il suo meccanismo:
Esiste un «Campo» che permea tutto lo spaziotempo (Campo di Higgs) che interagendo con le
particelle (W, Z, e,…) genera la loro massa .
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La Rottura Spontanea della simmetria
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Un’analogia tra Campo di Higgs e l’Aria
Il campo di Higgs è come l’aria che ci circonda:
non viene percepita ma permea tutto l’ambiente.
Ci accorgiamo dell’aria quando la facciamo vibrare
La vibrazione del campo di Higgs si concretizza nel
bosone di Higgs.
Per generare il bosone di Higgs c’è bisogno di un
potente acceleratore (LHC)
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Alla caccia dell’HIGGS
Cosa serve:
1. Un acceleratore di energia sufficiente
2. Un rivelatore di particelle con la risoluzione
adeguata
3. Una potenza di calcolo in grado di esaminare
milioni di eventi in un tempo ragionevole
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L’Acceleratore LHC
LHC (Large Hadron
Collider) è il più grande
e potente acceleratore
(collisionatore) del
mondo.
LHC consiste in un anello
di 27 km di magneti
superconduttori
a -271.3°C
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Il Rivelatore ATLAS
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Il Rivelatore (ATLAS)
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Produzione e decadimento di un Higgs
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«GRID» la griglia di calcolo
La GRID del CERN (Worldwide
LHC Computing Grid - WLCG) è
una collaborazione globale di
150 centri di calcolo in 40
paesi.
La missione di WLCG è di
provvedere alle risorse di
calcolo per immagazzinare,
distribuire e analizzare ~15
Petabytes (1500 000 G
Bytes) di dati prodotti da LHC
per anno.
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Centro di Calcolo del CERN
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Simulazione di un evento con HIGGS
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Il segnale dell’HIGGS
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Il Bosone
di Higgs
Esistenza e proprietà del Bosone di Higgs
sono contenuti nella «LAGRANGIANA»
che descrive il Modello Standard delle
interazioni
-elettro-deboli
-forti
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Per capire il meccanismo di Higgs, immagina una
stanza piena di fisici che parlano. Questo rappresenta
il campo di Higgs
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Un noto scienziato entra nella stanza e attrae un
gruppo di ammiratori.
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… la resistenza al movimento del fisico famoso
rappresenta la massa della particella
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Se un «gossip» attraversa la sala . . .
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… crea lo stesso assembramento, ma solo tra gli scienziati.
Questo assembramento è la particella di HIGGS.
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Un’altra spiegazione euristica
Un vassoio rappresenta
l’universo primordiale
Su
Dopo pochi istanti dal
Big-Bang il campo di
Higgs (lo zucchero)
interagisce con le
particelle
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Alcune palline sono più
infossate altre
camminano in superficie
I grani dello zucchero
rappresentano il bosone
di HIGGS
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Ma la storia non è finita…
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•
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La particella scoperta è veramente l’Higgs?
Ne esistono altri?
Come scoprire la Materia Oscura?
Come si spiega l’energia oscura?
Esiste la Supersimmetria?
Quantizzazione della gravitazione
….
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