Il mistero della materia: il bosone di Higgs
storia di una scoperta raccontata da un protagonista
Dott. Francesco Lo Sterzo
Di cosa sono fatte le cose?
Francesco Lo Sterzo
4
.. e l’atomo ?
Francesco Lo Sterzo
5
Cosa lo tiene insieme ?
In meccanica quantistica la forza tra due particelle e` descritta
come lo scambio di una terza particella (un bosone)
L’interazione avviene grazie allo scambio di particelle
Francesco Lo Sterzo
6
Le forze
Forza di gravità
fenomeni astrofisici
Francesco Lo Sterzo
Forza elettromagnetica
fenomeni elettrici/
magnetici, proprieta’
chimiche
(+ TV, cellulari, radio...)
Forza
debole
radioattività
Forza forte
stabilità dei nuclei
7
Le particelle
Francesco Lo Sterzo
8
Il Modello Standard
cosa significa ?
Esempio: ττ = 290 × 10-15 s
Francesco Lo Sterzo
9
Che cosa manca ?
Il Modello Standard ha dei problemi: non spiega perché le
particelle hanno massa (e hanno masse diverse ... )
Quindi è una teoria che non descrive fino in fondo la realtà
che vediamo. La buttiamo nel cestino ?
Francesco Lo Sterzo
10
Higgs, chi è costui ?
Higgs propone una teoria per
risolvere il problema
(e salvare il Modello Standard)
Francesco Lo Sterzo
11
Higgs, chi è costui ?
Higgs propone una teoria per
risolvere il problema
(e salvare il Modello Standard)
Francesco Lo Sterzo
12
Il bosone di Higgs
Il bosone di Higgs è una particella instabile che può
decadere in diversi modi
H
Francesco Lo Sterzo
H→ZZ→eeee
H→γγ
13
Come si studiano queste cose?
Le particelle pesanti (instabili) non sono presenti in natura.
Per produrle da soli abbiamo bisogno di un acceleratore di
particelle
Le particelle instabili prodotte poi decadono in nuove
particelle stabili: come le misuriamo ?
Dopo aver misurato queste nuove particelle stabili, come
facciamo a capire quale particella instabile le ha prodotte ?
Francesco Lo Sterzo
14
Acceleratore
@#'=,);3 A,1)"& B"##$13)':=AB<
!"##$%$"&$'()"*"&$+()"*"&$
!$)!,'-.'/0'1$'!$)!"&23)3&4,
5'67'839 :,')3;$03<'
='5'6>?7 !0'+- %+6':,')3;$03<
=ABE
C8=CD
BFD
C=@BG
H),&!3%!"'="'D*3)4"'-I+6>+->>I
Francesco Lo Sterzo
>͛ĂĐĐĞŶƐŝŽŶĞğƉƌĞǀŝƐƚĂƉĞƌůĂ
03*J'1$'&"K30E)3L
?
E = mc2
15
Come funziona un acceleratore di particelle ?
Come si accelera un corpo ?
Che tipo di forza agisce sulle particelle cariche ?
Come si fa a curvarle ?
Francesco Lo Sterzo
16
Rivelatore: ATLAS
45 m
25 m
Francesco Lo Sterzo
info: http://www.atlas.ch/
3000 km di cavi
7000 tonnellate (come la torre Eiffel)
~100 mln di canali
38 paesi
174 università/istituzioni
17
ATLAS
Francesco Lo Sterzo
Ma le particelle si vedono?
Francesco Lo Sterzo
19
Dove si trova tutto questo ?
C.E.R.N. - Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire
Fondato nel 1954
20 stati membri
7 stati/organizzazioni osservatici
Costo annuale: ~800 mln euro
<2400 staff
>10000 scienziati
133 nazionalità coinvolte
608 istituti/università
Austria, Belgio, Bulgaria, Repubblica Ceca, Danimarca, Finlandia, Francia, Germania, Grecia, Ungheria, Italia, Olanda, Norvegia,
Polonia, Portogallo, Repubblica Slovacca, Spagna, Svezia, Svizzera, Regno Unito (+ Romania, Israele e Serbia)
Francesco Lo Sterzo
info: http://www.cern.ch/
20
Acceleratore: Large Hadron Collider (LHC)
Frequenza = 40 MHz
Lunghezza = 27 km (solo LHC)
2808 “pacchetti”
>1011 protoni per “pacchetto”
T = 1.9 K (< 3 K)
vuoto <1 part. in ~200m3 (< 1 atomo/cm3)
Francesco Lo Sterzo
21
Cosa fa il C.E.R.N. ?
Ricerca: cercare e trovare le risposte alle domande sull’Universo
Tecnologia: spostare in avanti le frontiere della tecnologia
Collaborazione: unire le nazioni attraverso la scienza
Istruzione: formare gli scienziati di domani
Francesco Lo Sterzo
22
Ma cosa succede quando le particelle si scontrano?
Non sappiamo quello che succede durante la collisione
Un esempio un po’ piu` semplice ..
Francesco Lo Sterzo
23
Alea iacta est
Prendiamo due dadi e lanciamoli in una scatola
Supponiamo di poter sapere soltanto il risultato totale
del lancio ma non i risultati dei singoli dadi
Francesco Lo Sterzo
24
Alea iacta est
Due dadi normali:
6
5
4
3
2
1
0
Francesco Lo Sterzo
2
4
6
8
10
12
risultato
25
Alea iacta est
Uno dei due dadi ha 7 facce,
la faccia in piu` ha un altro 6
Due dadi normali
7
7
6
6
5
5
4
4
3
3
2
2
1
1
0
2
Francesco Lo Sterzo
4
6
8
10
12
risultato
0
2
4
6
8
10
12
risultato
26
Alea iacta est
7
6
5
4
3
2
1
0
Francesco Lo Sterzo
2
4
6
8
10
12
risultato
27
Higgs iacta est
Particelle stabili finali = somma dei due dadi
Processo collisione per collisione = valore dei singoli dadi
Esiste il bosone di Higgs = un dado ha 7 facce
Non esiste il bosone di Higgs = entrambi i dadi hanno 6
facce
Francesco Lo Sterzo
28
Tiriamo i dadi ...
7
6
5
4
3
2
1
0
STATO INIZIALE
PROCESSO
2
4
6
8
10
12
risultato
STATO FINALE
2
6
3
10
2
6
Francesco Lo Sterzo
?
29
Tiriamo i dadi ...
7
6
5
4
3
2
1
0
STATO INIZIALE
4
6
8
10
12
risultato
STATO FINALE
4+6
2
6
PROCESSO
2
3
10
2
6
Francesco Lo Sterzo
?
30
Tiriamo i dadi ...
7
6
5
4
3
2
1
0
STATO INIZIALE
4
6
8
10
12
risultato
STATO FINALE
4+6
2
6
PROCESSO
2
3
5+5
10
2
6
Francesco Lo Sterzo
?
31
Tiriamo i dadi ...
7
6
5
4
3
2
1
0
STATO INIZIALE
3
Francesco Lo Sterzo
6
8
10
12
risultato
STATO FINALE
5+5
10
6+4
2
6
4
4+6
2
6
PROCESSO
2
?
32
Tiriamo i dadi ...
7
6
5
4
3
2
1
0
STATO INIZIALE
3
Francesco Lo Sterzo
6
8
10
12
risultato
STATO FINALE
5+5
10
6+4
2
6
4
4+6
2
6
PROCESSO
2
6
4+6
33
.. e scontriamo i protoni
STATO INIZIALE
PROCESSO
STATO FINALE
E=mc2
P
e
e
ZZ
Z + altro
tt
H→ZZ
e
e
P
Francesco Lo Sterzo
34
Cosa vediamo ?
7
6
5
4
3
2
1
0
Francesco Lo Sterzo
2
4
6
8
10
12
risultato
35
Cosa vediamo ?
7
6
5
4
3
2
1
0
2
4
6
8
10
12
risultato
H→ZZ→eeee
H→γγ
Francesco Lo Sterzo
36
Francesco Lo Sterzo
37
Scoperta !
Se tirando due volte una moneta otteniamo
due volte testa, possiamo dire che la moneta
è truccata ?
Se invece la tiriamo 1000 volte e esce sempre
testa ?
18
2011+2012: 6.9× 10 collisioni
probabilità: 5.7× 10-5
Francesco Lo Sterzo
38
Conclusioni
Abbiamo visto che cos’è il bosone di Higgs e come è stato cercato (e
trovato) al CERN di Ginevra
Abbiamo visto cos’è il CERN e cosa fa
.. la scienza è un divertimento per pochi addetti ?
"La preoccupazione dell'uomo e del suo destino devono sempre costituire l'interesse
principale di tutti gli sforzi tecnici. Non dimenticatelo mai in mezzo a tutti i vostri
diagrammi ed alle vostre equazioni."
A. Einstein
e comunque anche dopo aver trovato il bosone di Higgs, le domande
aperte sono ancora tante ...
Francesco Lo Sterzo
39
40
