Particelle Elementari
e Forze Fondamentali
Enrico Robutti
Le interazioni fondamentali
E. Robutti
Particelle Elementari e Forze Fondamentali
2
Forze fondamentali e unificazione
Le interazioni fondamentali sono quelle attraverso la
conoscenza delle quali è possibile descrivere tutti i fenomeni
osservati in natura
Lo scopo è quello di descrivere il maggior numero possibile
di fenomeni con il minor numero possibile di teorie generali
⇒ unificazione
z Diversi
importantissimi esempi di unificazione nell’evoluzione della
fisica
Quattro le forze oggi considerate fondamentali:
z Interazione
Gravitazionale
z Interazione
ElettroMagnetica
z Interazione
Nucleare Forte
z Interazione
Nucleare Debole
E. Robutti
Interazione Elettro-Debole
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L’interazione gravitazionale
L’interazione gravitazionale regola il moto dei corpi celesti e
in generale la struttura a grande scala dell’Universo
z Si
esercita tra tutti i corpi massivi
z Ha
raggio di interazione infinito
Descritta con successo da Newton con la Legge di
Gravitazione Universale
z Primo
esempio di “unificazione” (la forza che fa cadere i gravi è la
stessa che regola il moto dei pianeti)
z La
stragrande maggioranza dei moti celesti può essere descritta
accuratamente per mezzo della meccanica newtoniana
Rivista da Einstein con la Teoria della Relatività Generale in
termini di geometria dello spazio-tempo
E. Robutti
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L’interazione elettromagnetica
L’interazione elettromagnetica è responsabile della
stragrande maggioranza dei fenomeni osservati su scala
“umana”, inclusi i processi chimici e biologici
Stretto legame tra fenomeni di natura elettrica e magnetica
messo in luce dagli studi di Ampère, Faraday,…
Unificazione di elettricità e magnetismo portata a
compimento dal lavoro di Maxwell: Elettrodimamica Classica
z onde
elettromagnetiche ⇒ ottica ondulatoria
Quantizzazione del campo elettromagnetico di Dirac:
Elettrodimamica Quantistica
z La
luce (e la radiazione e.m.) torna alla rappresentazione
corpuscolare (fotoni)
E. Robutti
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L’interazione nucleare forte
La repulsione elettrostatica tra i protoni,
carichi positivamente, all’interno del nucleo
tende ad allontanarli reciprocamente
z Nei
nuclei molto pesanti questo dà luogo ad
instabilità ⇒ fenomeni radioattivi
L’interazione nucleare forte è responsabile delle forze che
“tengono insieme” i protoni nel nucleo
⇒ forze attrattive superiori alla repulsione elettrostatica a brevissime
distanze (~1 fm)
z
A livello inferiore è responsabile dell’aggregazione dei quark
in protoni, neutroni, e negli altri adroni
Descritta da un’altra teoria di campo: Cromodimamica
Quantistica (QCD)
E. Robutti
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L’interazione nucleare debole
L’introduzione di un altro tipo di interazione nucleare,
l’interazione nucleare debole, è necessaria per descrivere
alcuni processi osservati in natura quali:
Il decadimento del neutrone:
n → p e– Æνe
Il decadimento del muone:
μ– → e– Æνe νμ
L’unificazione della teoria delle interazioni deboli con
l’Elettrodinamica Quantistica ha determinato la nascita del
Modello Standard delle interazioni elettro-deboli
E. Robutti
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Le scale delle interazioni
Ogni interazione è caratterizzata, oltre che da una “intensità”,
da una distanza tipica al di sotto della quale diventa rilevante:
Interazione
Intensità (e.m. = 1)
Distanza
Gravitazionale
10–40
∞
Nucleare Debole
10–10
10–15 m
Elettromagnetica
1
∞
100
10–12 m
Nucleare Forte
E. Robutti
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Le particelle
E. Robutti
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Cos’è una particella elementare?
In teoria con il termine “particella elementare” si intende una
particella nella quale non possa essere distinta una sottostruttura composta da altre entità più “fondamentali”
z In
questo senso né l’atomo né il nucleo sono particelle elementari
In pratica la Fisica delle Particelle Elementari si occupa
anche dello studio di alcuni sistemi “sub-nucleari” (p.es. protone
e neutrone), che sono oggi descritti come oggetti “composti”.
Lo studio delle particelle elementari e quello delle interazioni
fondamentali sono in pratica la stessa cosa
z Più
le particelle sono “elementari”, più diretto è il confronto tra
l’osservazione sperimentale di come interagiscono tra di loro e le
previsioni della teoria che descrive l’interazione
z Le
stesse interazioni sono mediate da “quanti” che sono a tutti gli
effetti particelle elementari
E. Robutti
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Le proprietà delle particelle
Le particelle sono caratterizzate da molte grandezze:
z massa:
z carica:
z spin:
da 0 a centinaia di GeV/c2 per le particelle note;
multipli interi della carica elementare per le particelle “libere”;
intero (0, 1,..) per i bosoni, semi-intero (1/2, 3/2,..) per i fermioni;
z…
Le vite medie sono molto differenziate:
z particelle
stabili: mantengono la loro identità indefinitamente (p. es.
protone, elettrone);
z particelle
instabili: decadono “spontaneamente” dopo un certo tempo
(p. es. neutrone, muone, pione);
z risonanze:
hanno una vita media
talmente breve che si possono
osservare solo per mezzo di
particolari caratteristiche nella
cinematica dei prodotti di
decadimento (p.es. Δ, ρ)
E. Robutti
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Barioni, mesoni, quark
Tutte le particelle soggette all’interazione forte sono dette
adroni
A seconda dei processi di produzione e decadimento in cui
sono osservati, gli adroni vengono classificati come:
z barioni:
p.es. protone, neutrone;
z mesoni:p.es.
π, K
Nel modello a quark tutti gli adroni vengono interpretati come
stati legati di oggetti più fondamentali, i quark
barioni → tre quark (antiquark)
E. Robutti
mesoni → un quark e un antiquark
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I leptoni
Il muone ha caratteristiche del tutto analoghe a quelle
dell’elettrone ma una massa circa 200 volte superiore
L’esistenza del neutrino venne
postulata per spiegare la forma
dello spettro degli elettroni emessi
nei decadimenti β
Æνe
e–
Elettrone, muone, neutrino, fanno parte della famiglia dei
leptoni: non sono soggetti all’interazione forte ma solo a quella
debole e (se carichi) a quella elettromagnetica
I neutrini hanno caratteristiche del tutto peculiari:
z hanno
massa (quasi) nulla;
z interagiscono
E. Robutti
pochissimo (solo interazione debole)
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I mediatori delle forze
Le interazioni tra particelle avvengono attraverso
lo scambio di altre particelle, i “mediatori” delle forze
z Le
caratteristiche dell’interazione si riflettono nelle
caratteristiche dei mediatori: p.es. massa elevata ⇒ corta
distanza di interazione
Le particelle scambiate non sono normalmente osservabili
direttamente. P. es.:
z e+
e– → μ+ μ– è descritto da e+ e– → γ → μ+ μ– (γ = fotone);
→ p e+ Æνe è descritto da n → p W– → p e+ Æνe (W– = mediatore
dell’interazione debole);
zn
E. Robutti
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Il Modello Standard
E. Robutti
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Tre famiglie di fermioni
Elettrone, neutrino
elettronico, quark up e down
sono sufficienti a descrivere la
materia che ci circonda
Per descrivere i processi
osservati in laboratorio occorre
però introdurre altre due
famiglie di fermioni, con
caratteristiche analoghe ma
con masse sempre più alte
L’osservazione del quark
top (Fermilab, 1995) è stato
uno dei più grandi successi del
Modello Standard
E. Robutti
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I bosoni vettori
L’interazione elettromagnetica è mediata dal
fotone (neutro, massa nulla)
L’interazione nucleare forte è mediata da 8
gluoni (neutri, massa nulla)
L’interazione nucleare debole è mediata da 3
bosoni vettori massivi: 2 carichi (W±) e uno
neutro (Z0)
di W± e Z0 (CERN, 1983) costituisce
il primo grande successo del Modello Standard
z L’osservazione
Gravitazione → gravitoni?
E. Robutti
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Il bosone di Higgs
La costruzione del Modello Standard implica che i campi che
vi compaiono siano associati a particelle di massa nulla,
contrariamente all’evidenza sperimentale
Il meccanismo di Higgs consente di riscrivere la teoria in
modo che le particelle “fisiche” (sia materiali che mediatrici di
forza) acquistino una massa.
La conseguenza è la comparsa di una nuova particella
massiva, il bosone di Higgs
z Il
bosone di Higgs non è mai stato osservato e sarà il primo obiettivo
della prossima generazione di esperimenti
z La
teoria non prevede alcun valore per la massa dell’Higgs, ma i dati
disponibili oggi permettono di stabilire limiti inferiori e superiori: la
regione permessa è limitata
E. Robutti
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18
Il quadro completo
E. Robutti
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19
Oltre il Modello Standard?
Nonostante i numerosissimi successi, il Modello Standard è
insoddisfacente sotto molti punti di vista:
z non
predice l’esistenza di esattamente tre famiglie di fermioni, i valori
delle masse e le grandi differenze tra di esse,…;
z non
giustifica l’asimmetria materia-antimateria dell’Universo;
z non
spiega l’origine della materia oscura
Numerose nuove teorie tentano di risolvere queste difficoltà
estendendo o superando il Modello Standard
z Le
teorie supersimmetriche sono tra le più attraenti e studiate:
prevedono l’esistenza di un gran numero di nuove particelle elementari,
e spesso sono associate a simmetrie che permettono di unificare
l’interazione forte a quella elettro-debole (teorie di Grande Unificazione)
z Il
passo successivo è quello di includere anche la gravità (teorie di
stringhe, membrane,…)
E. Robutti
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Come è fatto un esperimento
E. Robutti
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Bersagli fissi e fasci collidenti
Due diverse classi di esperimenti con acceleratore:
Il fascio di particelle
accelerate viene “estratto”
dall’acceleratore e diretto su
un bersaglio fisso
z Altissime
luminosità
(∝ numero di eventi per unità
di tempo) raggiungibili
z Possibilità
di creare fasci
“specializzati”: p.es. fasci di
pioni o di kaoni
E. Robutti
Due fasci che viaggiano in
direzioni opposte collidono
all’interno dell’acceleratore
z Tutta
l’energia dei fasci è
disponibile per la creazione di
nuove particelle ⇒ altissime
energie raggiungibili
z Utilizzo
efficiente dei fasci
negli accumulatori circolari
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Gli acceleratori
Gli acceleratori forniscono la “materia prima” per gli
esperimenti: accumulano ed accelerano i proiettili
zI
proiettili sono normalmente particelle cariche stabili: protoni,
elettroni, antiprotoni, positroni
Sono tipicamente di due tipi:
z lineari;
z circolari
(accumulatori)
Gli elementi principali sono:
z cavità
risonanti, per fornire energia
alle particelle;
z magneti,
per controllarne la
traiettoria
E. Robutti
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La struttura di un rivelatore
E. Robutti
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24
La struttura di un rivelatore
Le classi principali di rivelatori:
z tracciatori
di vertice: ricostruiscono vertici secondari;
z tracciatori
principali: misurano carica e impulso;
z identificatori
di particella: misurano la velocità;
z calorimetri
elettromagnetici:
misurano l’energia di elettroni
e fotoni;
z calorimetri
adronici:
misurano l’energia degli
adroni
z camere
per muoni: rivelano
il passaggio dei μ
E. Robutti
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25
Dal progetto alla presa dati
formazione della
Collaborazione
scelta del
laboratorio
progetto
progetto
costruzione/test
sotto-rivelatori
costruzione/test
installazione
rivelatore
acceleratore
proposta metodo
di misura
test apparato
completo
collisioni ⇒ inizio
presa dati
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Dalla collisione alla misura
segnali nei
rivelatori
rilettura e
decodifica dati
prima selezione
eventi (trigger)
ricostruzione
dell’evento
filtro software
selezione eventi
di interesse
scrittura evento
analisi completa
analisi dati
acquisizione dati
collisione
misura /
confronto con la
teoria
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27
Gli esperimenti
E. Robutti
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Temi attuali in Fisica delle Particelle
Conferme del Modello Standard
z Esiste
il bosone di Higgs? Ha massa compatibile con gli attuali limiti
indiretti? Interagisce come previsto con le altre particelle?
z L’accoppiamento
tra le famiglie fermioniche è in perfetto accordo con
il modello?
z Studio
di processi vietati nel Modello Standard
Test di modelli di fisica adronica
z Spettroscopia
z Studio
degli adroni
di produzione e decadimento di adroni
Oltre il Modello Standard
z Esistono
z Ci
E. Robutti
particelle supersimmetriche? Che massa hanno?
sono altre particelle elementari “impreviste”?
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I laboratori nel mondo
CERN, Ginevra
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30
I laboratori nel mondo
Fermilab, Illinois
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31
I laboratori nel mondo
DESY, Amburgo
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32
I laboratori nel mondo
SLAC, Stanford - California
E. Robutti
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33
I laboratori nel mondo
Laboratori Nazionali di Frascati
E. Robutti
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34
Il Large Hadron Collider
E. Robutti
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35
Il Large Hadron Collider
Il Large Hadron Collider (LHC) è attualmente in costruzione
al CERN: nel 2007 dovrebbe iniziare le operazioni
LHC è un anello di collisione protone-protone
z Energie
finora mai raggiunte: 7 TeV + 7 TeV
z Altissima
luminosità
Quattro grandi esperimenti:
z ATLAS
z CMS
z LHCb:
uso generale; ricerca del bosone di Higgs, Nuova Fisica
fisica del mesone B
z ALICE:
E. Robutti
}
fisica nucleare e adronica
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Il presente e il futuro
Oggi:
z fisica
dei sapori (principalmente B): BABAR, Belle;
z Modello
z fisica
Standard (top, W): CDF, D0;
adronica: CLEO, BES,…
Domani:
z nel
2007 inizia l’era di LHC;
z decadimenti
rari? (NA48,…);
z super-fabbrica
di B?
Dopodomani:
z acceleratore
z anello
lineare e+e– ad altissima energia;
di collisione μ+μ–?
z …?
E. Robutti
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37
ATLAS
Fisica ad altissime energie:
z ricerca
del bosone di Higgs;
z ricerca
di nuova fisica (particelle supersimmetriche?)
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38
ATLAS
E. Robutti
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39
LHCb
Fisica dei mesoni B:
z decadimenti
z misure
E. Robutti
molto rari;
di precisione, possibilità di studiare i mesoni Bs (bÆs)
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40
LHCb
QuickTime™ e un
decompressore TIFF (Non compresso)
sono necessari per visualizzare quest'immagine.
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41
TOTEM
Area sperimentale CMS (IP5)
CMS
TOTEM
Fisica “in avanti” a LHC:
z sezione
z fisica
E. Robutti
d’urto protone-protone elastica e totale;
diffrattiva
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42
TOTEM
E. Robutti
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BABAR
Fisica dei mesoni B:
z violazione
della simmetria CP; parametri di mescolamento famiglie;
z decadimenti
E. Robutti
rari
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44
BABAR
E. Robutti
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MEG
Violazione del numero leptonico: ricerca del decadimento
μ→eγ
E. Robutti
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46
MEG
E. Robutti
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47
Il lavoro del fisico delle particelle
E. Robutti
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Hardware
Rivelatori di particelle
z Progetto,
realizzazione e test di
rivelatori per esperimento
z Studi
di prestazioni
z Sviluppo
di nuove tecnologie
Elettronica
z Progetto
QuickTime™ e un
decompressore TIFF (Non compresso)
sono necessari per visualizzare quest'immagine.
di sistemi complessi di
acquisizione dati
z Progetto
e realizzazione di
schede di
acquisizione/elaborazione dati
z Progetto
e realizzazione di nuovi
chip dedicati
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Software
Acquisizione dati
z Progetto
di architetture di
acquisizione
z Scrittura
di codice di
lettura/controllo/archiviazione
QuickTime™ e un
decompressore TIFF (Non compresso)
sono necessari per visualizzare quest'immagine.
z Sviluppo
Analisi
z Progetto
di architetture di
ricostruzione/simulazione/analisi
dati
z Scrittura
z Analisi
di interfacce utente
• B0 → K+ π–
• B0 → K– π+
di codice specifico
finale dei dati ⇒ risultati
di fisica
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Gestione e coordinamento
Esperimenti sempre più grandi ⇒ necessità di una struttura
ben organizzata
Moltissime posizioni di coordinamento:
z Gestione
generale esperimento: “portavoce”, coordinatori tecnici, di
fisica, di calcolo
z Coordinatori
sotto-rivelatori e responsabili hardware/software sotto-
sistemi
z Responsabili
z Coordinatori
z Gestione
sotto-sistemi di calcolo
gruppi di ricostruzione e analisi
scrittura articoli e presentazioni a conferenze
z…
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Competenze e sbocchi professionali
Ricerca “pura”: Università, Enti di Ricerca, Laboratori
internazionali
Figure specializzate nei centri di ricerca
z Servizi
di calcolo, elettronica, nuove tecnologie
Industria e servizi
z Sviluppo
software
z Gestione
sistemi di calcolo e trattamento dati
z Progettazione
e sviluppo elettronica
z Progettazione
sistemi di controllo
z Tecnologie
biomediche
z Simulazioni
di mercato (assicurazioni, società finanziarie)
z…
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52
