La Fisica Nucleare, Subnucleare ed Astroparticellare
e
l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
Una breve presentazione
Gianluigi Fogli
Presentazione, 12 febbraio 2007
1
INFN
Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
E’ l’Ente pubblico che promuove, coordina, esercita i controlli di merito e
finanzia le ricerche sperimentali e teoriche nella fisica dei nuclei atomici e delle
particelle elementari e delle loro interazioni fondamentali.
.L’INFN cura altresì gli sviluppi tecnologici necessari alle proprie ricerche ed il
trasferimento delle tecnologie sviluppate alle imprese produttive.
Fondato nel 1951 dagli istituti di Fisica di Torino, Milano, Padova e Roma, è
attualmente diffuso in tutte le Università più importanti d’Italia, tramite
Sezioni ospitate nei Dipartimenti di Fisica.
Accanto alle Sezioni, l’INFN ha quattro Laboratori, dove si compiono ricerche di
avanguardia nella Fisica fondamentale Nucleare e Subnucleare.
Gianluigi Fogli
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2
Le Sezioni ed i Laboratori
20 Sezioni:
Bari
Bologna
Cagliari
Catania
Ferrara
Firenze
Genova
Lecce
Milano 1
Milano 2
Napoli
Padova
Pavia
Perugia
Pisa
Roma 1
Roma 2
Roma 3
Torino
Trieste
4 Laboratori Nazionali:
Lab.Nazionali Frascati
Lab.Nazionali Gran Sasso
Lab.Nazionali Legnaro
Lab.Nazionali Sud
11 Gruppi Collegati
Alessandria
Brescia
Cosenza
L’Aquila
Gianluigi Fogli
Salerno
Sanità
Siena
Parma
Trento
Udine
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3
I Laboratori internazionali
Gran parte degli esperimenti cui collabora l’INFN si svolgono presso grandi
laboratori internazionali, che ospitano infrastrutture non realizzabili nell’ambito di
una sola nazione.
CERN (Ginevra)
Centro Europeo di Ricerche Nucleari. Vi si
trova il più grande acceleratore circolare
del mondo con una circonferenza di 27 km.
Finora vi ha funzionato
elettrone-positrone, il
un
collider
LEP - Large Electron Positron collider
E’ in corso di ultimazione l’installazione di un
collider adronico, protone-protone
LHC - Large Hadronic Collider
Gianluigi Fogli
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Fermilab
(Batavia, Illinois)
Vi si trova l’acceleratore con la più alta energia al
mondo, il TEVATRON, dove si fanno collidere
protoni con antiprotoni.
Vi si sono svolti gli esperimenti CDF e D0, con
ampia partecipazione INFN.
Nella figura è rappresentata la produzione del
quark top (con il suo antiquark), la particella
elementare più “pesante” mai trovata finora.
Qui verrà probabilmente costruito ILC,
International Linear Collider, l’acceleratore del
futuro, lungo 40 km., un progetto unico cui
parteciperanno Europa, Asia ed America.
Gianluigi Fogli
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SLAC (Stanford, California)
Stanford Linear Accelerator Center, è al momento
il più grande acceleratore lineare del mondo.
Vi si sono svolti importanti esperimenti, in
particolare l’esperimento BaBar, sulla violazione di
CP nel settore del quark b, con importante
partecipazione INFN.
DESY (Amburgo)
Deutsches Elektronen-Synchrotron. Vi si trova
HERA, il più grande collider del mondo elettroneprotone.
Vi si sono tenuti importanti esperimenti, quali H1 e
ZEUS, con larga partecipazione INFN.
Gianluigi Fogli
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La materia ordinaria
Ciascun atomo è
fatto di elettroni
orbitanti intorno
ad un nucleo
La materia
è fatta di
atomi
Protoni e neutroni
sono fatti di tre
quark:
Ciascun
nucleo è
fatto di
protoni e
neutroni
Gianluigi Fogli
p = uud
n = udd
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Il decadimento β
La materia ordinaria è quindi costituita da un numero ristretto di particelle elementari: i quark u
e d, e l’elettrone e.
Ma vi è un altro processo da considerare, il decadimento β, cioè l’effetto di radioattività naturale
che descrive l’instabilità del neutrone:
n → p + e- + νe
Il decadimento β è il processo che ha fatto scoprire il neutrino (Pauli,1931):
solo immaginando l’esistenza del
neutrino
Pauli
ha
potuto
giustificare
la
distribuzione
continua dell’energia cinetica
dell’elettrone, senza violare il
principio
di
conservazione
dell’energia.
Gianluigi Fogli
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Il Sole brilla di luce e di neutrini
Il decadimento β è uno dei processi fondamentali alla
base delle reazioni termonucleari che fanno “bruciare” il
Sole, con un enorme flusso verso la Terra sia di raggi
luminosi (fotoni) che di - invisibili -neutrini.
Il sole irradia la gran parte dell’energia prodotta sotto
forma di quanti di luce, i fotoni. La corrispondente
luminosità è
Lγ
= 3.86 x 1033 erg/sec
Ma è considerevole anche la parte di energia irradiata
sotto forma di - invisibili - neutrini, la cui “luminosità” è
pari a
Lν = 0.023 Lγ
ed il cui flusso corrisponde a
Φν = 6.0 x 1010 cm-2sec-1
Gianluigi Fogli
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L’Universo è pieno di neutrini
Si è calcolato che ci attraversano ogni secondo:
• 400.000 miliardi di neutrini dal Sole;
• 50 miliardi di neutrini dalla radioattività della Terra (più o meno);
• 10-100 miliardi di neutrini dalle centrali nucleari.
Ciascuno di noi emette ogni
giorno 340 milioni di neutrini
dovuti alla radioattività β dei 20 mg
di 40K che contiene il nostro corpo
Di tutto ciò non ci accorgiamo affatto
Infatti i neutrini interagiscono pochissimo: durante la nostra vita solo uno o due dei neutrini
che ci attraversano interagiscono col nostro corpo.
In ogni metro cubo dell’Universo ci sono tre milioni di neutrini fossili. Costituiscono il fondo
cosmico di neutrini. Interagiscono pochissimo, ma, se massivi, potrebbero contribuire al destino
dell’Universo.
Interagendo pochissimo, sono molto difficili da studiare. Bisogna osservarli con misure
indirette:
• di un elettrone che è stato urtato;
• di un nucleo che assorbendo un neutrino si è modificato
Gianluigi Fogli
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La prima generazione di quark e leptoni
Includendo anche il neutrino, più precisamente il neutrino dell’elettrone:
νe
la materia ordinaria appare costituita a partire da sole quattro particelle, un doppietto di quark e
un doppietto di leptoni.
quark
u
d
( )
leptoni
e
νe
( )
Queste particelle elementari costituiscono la prima generazione di quark e leptoni.
Di queste particelle, solo il neutrino non ha carica elettrica ed ha una massa talmente piccola
da essere stata considerata nulla fino a pochi anni fa. Queste proprietà ne fanno una
particella particolarmente elusiva. Per esempio, ancora non si ha un’idea precisa del valore
della sua massa.
Gianluigi Fogli
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I raggi cosmici
La superficie terrestre è continuamente bombardata
da un flusso di radiazioni:
I raggi cosmici
Infatti, nuclei di idrogeno, elio e altri elementi
provenienti dallo spazio, incontrando gli atomi
dell’atmosfera, generano
milioni di particelle
secondarie.
Ciascuno di noi è attraversato centinaia di volte al
secondo da queste particelle, che fanno parte della
radioattività naturale
Nei raggi cosmici si possono ritrovare nuove
particelle, instabili, che decadono molto rapidamente
in particelle più semplici e leggere. Tali particelle
sono visibili per l’effetto relativistico che ne rende
più lunga la sopravvivenza prima di decadere. Tra
esse mesoni π, mesoni K, muoni µ, ecc.
Gianluigi Fogli
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Gli esperimenti agli acceleratori
In maniera analoga, nuove particelle vengono prodotte attraverso le collisioni che si studiano agli
acceleratori, facendo uso di fasci intensi di elettroni, positroni, protoni, antiprotoni, neutrini …
Nella figura, un’immagine di un evento visto nella
camera a bolle Gargamelle, in cui un neutrino νµ
(invisibile, ma ricostruito in rosso) urta un elettrone
che spiraleggia entro la camera. Uno dei primi eventi
cosiddetti di corrente neutra.
Nella figura un’immagine del passaggio di un
fascio di particelle di alta energia nella camera a
bolle gigante BEBC.
Gianluigi Fogli
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Le tre generazioni di quark e leptoni
Lo studio delle interazioni ad alta energia sia nei raggi cosmici che agli acceleratori ha
consentito di avere un quadro ben definito dei costituenti elementari della materia, includendo
gli stati che si manifestano come stati adronici instabili.
La materia appare costituita a partire da un numero ristretto di fermioni (particelle di spin 1/2),
distinguibili in quark e leptoni. Vi è però una triplicazione dei due doppietti di quark e leptoni,
che costituiscono la prima generazione. Vi sono cioè due ulteriori generazioni di quark e leptoni,
con le stesse proprietà, ma massa molto più elevata, per un totale di tre generazioni di quark e
leptoni:
I generazione
II generazione
III generazione
Gianluigi Fogli
quark
u
d
c
s
t
b
( )
( )
( )
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leptoni
νe
(e )
ν
(µ )
ν
(τ)
−
µ
−
τ
−
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Le interazioni fondamentali
Si è anche compreso quali sono le interazioni fondamentali che stanno alla base dei vari fenomeni
che osserviamo.
Le diverse interazione elementari vengono descritte in termini di uno scambio di nuove
particelle, dette bosoni vettori. I bosoni vettori vengono scambiati tra i quark e tra i leptoni,
secondo regole precise e con ben definite costanti di accoppiamento.
L’interazione elettromagnetica
L’interazione elettromagnetica caratterizza le particelle
dotate di carica elettrica (quindi i quark ed i leptoni
carichi, non i neutrini), ed avviene tramite lo scambio di
fotoni. Il vertice elementare descrive sia l’emissione che
l’assorbimento di un fotone da parte di un quark o di un
leptone carico.
Si è così in grado di descrivere con la massima accuratezza per esempio il moto degli elettroni
intorno all’atomo o altri processi più complicati. La teoria che descrive l’interazione
elettromagnetica è nota come QED, cioè “Quantum Electrodynamics”.
Gianluigi Fogli
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L’interazione debole
L’interazione debole caratterizza tutti i fermioni noti (quindi sia i quark che i leptoni), e può
avvenire:
tramite corrente carica: il quark o il leptone
si trasforma (prevalentemente) nel partner
dello stesso doppietto, con l’emissione o
l’assorbimento di un bosone vettore carico
W± .
tramite corrente neutra: il quark o il
leptone resta lo stesso, con l’emissione o
l’assorbimento di un bosone vettore neutro
Z0.
Si è così in grado di descrivere con la massima precisione per esempio il decadimento β e le altre
reazioni termonucleari che avvengono nel Sole.
E’ possibile infine unificare interazione elettromagnetica e interazione debole in una unica
interazione elettrodebole.
Gianluigi Fogli
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L’interazione forte
E’ l’interazione di colore che “confina” i quark entro gli
adroni. E’ mediata da otto bosoni vettori detti gluoni.
Quando un quark emette o assorbe un gluone, cambia di
colore. Tale teoria è detta QCD (Quantum
Chromodynamics).
La simmetria basata su tre colori comporta effetti di
interazione fra gli stessi gluoni che hanno carica di
colore (a differenza dei fotoni che non avendo carica
elettrica, non interagiscono fra loro).
Queste proprietà dei gluoni sono da considerare alla
base dell’effetto di confinamento, sebbene una teoria
completa del confinamento dei quark sia ancora da
formulare.
La teoria delle interazioni fra i costituenti elementari della materia (quark e leptoni), mediata
dai bosoni vettori (g, W±, Z0 e gluoni) è nota come Modello Standard, ed e’ in grado di
interpretare tutti i fenomeni elementari sperimentalmente osservati.
Gianluigi Fogli
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Al di là del Modello Standard
costanti di accoppiamento inverso
La dipendenza delle costanti di accoppiamento dall’energia consente di estrapolare la teoria alle
grandi energie andando al di là del Modello Standard, verso una Teoria di Grande Unificazione.
masse dei neutrini
materia oscura
proton decay ?
difetti cosmici ?
SM
SUSY?
GUT’s?
Tevatron
LEP
Gianluigi Fogli
LHC
laboratori sotterranei,
sottomarini e nello spazio
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Al LEP ed al Tevatron è stato
verificato
con
grande
precisione
il
Modello
Standard.
Ad LHC si dovrebbe scoprire
SUSY.
Parte della futura attività
della fisica sperimentale si
svolgerà
nei
laboratori
sotterranei, sottomarini e nello
spazio
dove
si
potranno
verificare le Teorie di Grande
Unificazione.
18
I laboratori sotterranei
La radiazione cosmica è fastidiosa per
effettuare esperimenti di fisica ed astrofisica di
grande precisione, perché costituisce un rumore
di fondo.
Per eliminarlo, i fisici effettuano gli esperimenti
sottoterra, dove grandi spessori di roccia
fermano la maggior parte dei raggi cosmici.
Per esempio, dentro il laboratorio del Gran Sasso,
la pioggia di radiazione cosmica è ridotta di circa
un milione di volte.
Nel silenzio cosmico di un laboratorio sotterraneo
si possono “sentire” le stelle. E’ la
Fisica Astroparticellare
Gianluigi Fogli
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19
I Laboratori Nazionali del Gran Sasso
l Laboratori Nazionali del Gran Sasso
sono il centro di ricerca sotterraneo
più grande ed importante del mondo.
Sono costituiti da tre grandi sale sotterranee che
ospitano gli apparati sperimentali, sovrastati da oltre
1400 metri di roccia.
Sono e saranno in futuro sede di importanti esperimenti
di Fisica Astroparticellare.
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20
Le sorgenti di neutrini
Gianluigi Fogli
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21
I neutrini dal Sole
Sulla Terra arrivano ogni secondo e su ogni cm2, 60 miliardi di νe dal Sole.
Infatti, nel nucleo delle stelle, e quindi in particolare
all’interno del Sole, atomi di idrogeno si fondono per
formare elio.
Nella reazione vengono prodotti neutrini, il cui studio
rappresenta l’unico modo per sondare l’invisibile cuore della
stella ...
Allo stesso tempo, il lungo percorso dal centro del Sole alla
superficie della Terra ci permette di studiare proprietà dei
neutrini altrimenti non osservabili sulla Terra.
Nel 2002 viene assegnato il Nobel per la Fisica a Toshiba e
Davies per avere osservato per primi i neutrini solari.
Gianluigi Fogli
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4p + 2e-
νe
νe
He + 2νe
νe
νe
νe
νe
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I neutrini atmosferici
Sono i neutrini prodotti nelle collisioni dei raggi
cosmici
con gli atomi dell’atmosfera. Vengono
prodotti sia neutrini νe che neutrini νµ.
Nucleo di ferro
Dall’analisi della struttura dei raggi cosmici e del loro
decadimento a cascata, ci si aspetta con buona
approssimazione:
Un rapporto
νµ / νe ~ 2
Un egual numero di neutrini da tutte le
direzioni
Si trova invece un rapporto molto minore di 2 ed una
forte asimmetria nella distribuzione dei νµ rispetto
alla direzione di provenienza.
E’ l’anomalia dei neutrini atmosferici
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23
Le supernovae
Le supernovae sono catastrofiche esplosioni in cui
una stella (almeno 10 volte più grande del Sole)
termina il proprio “ciclo vitale”, lasciando al proprio
posto una stella di neutroni o un buco nero.
La Supernova 1987a
Nel 1987 è esplosa la Supernova 1987a, situata nella
Grande Nube di Magellano, una vicina galassia nana, ad
una distanza dalla Terra di circa 164.000 anni luce
(per cui l'evento cosmico è in realtà accaduto circa
164.000 anni fa).
SN 1987a
Gianluigi Fogli
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I neutrini da supernova
Circa tre ore dopo che la luce visibile dalla SN 1987a raggiunse la Terra, un'ondata di
neutrini fu osservata in due separati rivelatori di neutrini, costruiti per studiare il problema
dei neutrini solari.
Anche se il totale dei neutrini raccolti fu basso (meno di venti in totale), si trattava della
prima occasione in cui neutrini emessi da una supernova erano osservati direttamente, e le
osservazioni furono consistenti con i modelli teorici di supernova, dove la maggior parte
dell'energia del collasso viene dispersa nello spazio appunto sotto forma di neutrini.
I fisici rimpiangono due particolari esperimenti che non si poté effettuare:
Si sarebbe potuto misurare lo spettro di energia dei neutrini se fossero stati
disponibili sensori per neutrini migliori.
Se gli orologi dei due rivelatori di neutrini fossero stati sincronizzati, si sarebbe
potuto misurare il tempo che l'onda di neutrini impiegò per viaggiare dall’uno all’altro,
e quindi determinare se i neutrini stavano viaggiando alla velocità della luce (come
particelle senza massa), oppure più lentamente (particelle dotate di massa).
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La rivelazione dei neutrini
Per “vedere” i neutrini o gli antineutrini occorrono rivelatori di grande dimensione, che rendono
più probabile l’interazione. Un grande volume riempito di un liquido rappresenta un possibile
rivelatore.
L’antineutrino colpisce uno dei numerosi protoni nel
liquido, trasformandolo in neutrone, e producendo un
positrone.
Il positrone, dotato di carica elettrica, se il liquido ha
proprietà
scintillanti,
eccita
un
atomo
che,
diseccitandosi, emette luce.
Il segnale luminoso viene trasformato in segnale
elettrico
da
uno
speciale
dispositivo,
detto
fotomoltiplicatore.
ν
protone
neutrone
e+
luce
fotomoltiplicatore
Gianluigi Fogli
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26
GALLEX-GNO: i neutrini dal Sole
Sulla Terra arrivano ogni secondo e su ogni cm2, 60 miliardi di
νe dal Sole.
Meno di un neutrino al giorno interagisce col bersaglio di 30
tonnellate di Gallio, producendo un atomo di Germanio che si
sa estrarre e riconoscere.
L'esperimento ha funzionato regolarmente dal 1990 fino a
pochi anni fa. Ogni mese sono stati estratti circa 7 atomi di
Germanio.
L'esperimento ha dimostrato che il Sole brucia idrogeno.
Ma solo metà dei neutrini
previsti sono stati osservati
Gianluigi Fogli
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27
LVD
Large Volume Detector
Un apparato per rivelare i neutrini emessi da una
supernova
LVD, costantemente in funzione dal 1992, è il frutto di
una collaborazione tra Italia, Russia, Stati Uniti, Brasile
e Giappone.
Se esploderà una supernova al centro della nostra
galassia, esso “vedrà” circa 600 anti-neutrini.
Con un volume totale di 1000 tonnellate, è
dotato di più di 2500 fotomoltiplicatori ed è
oggi il più grande rivelatore a scintillatore
liquido del mondo.
Gianluigi Fogli
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CNGS: I neutrini dal CERN al Gran Sasso
Fasci di neutrini possono essere prodotti
artificialmente mediante l’uso di macchine
acceleratrici: il progetto CNGS ha previsto la
creazione di un fascio artificiale di neutrini che
diventerà operativo a partire da quest’anno.
I neutrini attraverseranno la
terrestre da Ginevra al Gran Sasso.
superficie
Esperimenti in allestimento per studiare le
oscillazioni dei neutrini in apparizione:
OPERA
ICARUS
Gianluigi Fogli
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La Materia Oscura
Una delle più grandi sorprese fornita dalle osservazioni
astronomiche è che le galassie ruotano e si muovono come
se la loro vera massa fosse decine di volte superiore a
quella visibile.
La maggior parte della materia nell’Universo non emette
quindi luce, è Materia Oscura, e non è noto in cosa
consiste.
La “materia oscura” potrebbe essere costituita di
particelle “esotiche” non ancora scoperte, debolmente
interagenti, dette
WIMP
“Weak Interacting Massive Particles”
I neutralini, previsti dalla SuperSimmetria, sono considerati tra i candidati più
autorevoli a costituire la Materia Oscura.
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Qualunque cosa sia …
Qualunque cosa sia, la Materia Oscura è la sorgente principale della
forza gravitazionale nell’Universo,
ed è responsabile della sua struttura.
Gianluigi Fogli
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