Una breve presentazione copia - Dipartimento Interateneo di Fisica
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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 Presentazione, 12 febbraio 2007 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 Presentazione, 12 febbraio 2007 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 Presentazione, 12 febbraio 2007 4 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 Presentazione, 12 febbraio 2007 5 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 Presentazione, 12 febbraio 2007 6 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 Presentazione, 12 febbraio 2007 7 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 Presentazione, 12 febbraio 2007 8 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 Presentazione, 12 febbraio 2007 9 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 Presentazione, 12 febbraio 2007 10 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 Presentazione, 12 febbraio 2007 11 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 Presentazione, 12 febbraio 2007 12 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 Presentazione, 12 febbraio 2007 13 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 ( ) ( ) ( ) Presentazione, 12 febbraio 2007 leptoni νe (e ) ν (µ ) ν (τ) − µ − τ − 14 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 Presentazione, 12 febbraio 2007 15 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 Presentazione, 12 febbraio 2007 16 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 Presentazione, 12 febbraio 2007 17 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 Presentazione, 12 febbraio 2007 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 Presentazione, 12 febbraio 2007 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. Gianluigi Fogli Presentazione, 12 febbraio 2007 20 Le sorgenti di neutrini Gianluigi Fogli Presentazione, 12 febbraio 2007 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 Presentazione, 12 febbraio 2007 4p + 2e- νe νe He + 2νe νe νe νe νe 22 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 Gianluigi Fogli Presentazione, 12 febbraio 2007 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 Presentazione, 12 febbraio 2007 24 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). Gianluigi Fogli Presentazione, 12 febbraio 2007 25 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 Presentazione, 12 febbraio 2007 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 Presentazione, 12 febbraio 2007 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 Presentazione, 12 febbraio 2007 28 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 Presentazione, 12 febbraio 2007 29 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. Gianluigi Fogli Presentazione, 12 febbraio 2007 30 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 Presentazione, 12 febbraio 2007 31
