La Fisica delle Particelle Elementari:
Stato dell'Arte e Prospettive
Prof. Franco Simonetto
Universita' di Padova e
Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
[email protected]
La ricerca dei fondamenti
Esistono dei costituenti fondamentali che semplicano l'apparente
molteplicita' della materia ?
Quali sono e come interagiscono tra loro ?
La risposta del filosofo:
(Empedocle V sec. AC)
... un modello ancora molto popolare
La risposta dello scienziato
(Mendeleiev XIX sec)
Regolarita' nelle proprieta' delle sostanze indicano un principio unitario
(l'atomo) che soggiace all'apparente molteplicita' degli elementi
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5
La risposta dello scienziato (XX sec)
L'atomo (neutro) e' composto da un egual numero di
costituenti pesanti di carica positiva positiva (protoni) e
leggeri di carica negativa (elettroni) (...e in piu' i neutroni ...)
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6
La risposta dello scienziato (1900)
L'atomo (neutro) e' composto da un egual numero di
costituenti di carica positiva positiva (protoni) e di carica
negativa (elettroni) (...e in piu' i neutroni ...)
Ma come e' distribuita la materia nell'atomo ?
Come posso risolvere una struttura r ~ 10-10 m ?
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Una Sfida
Uno dei due sacchi contiene
solo sabbia, e un'altro anche
pepite d'oro
Come faccio a scegliere se
non posso toccarli ?
La risposta del politico (1987)
Ernest Rutherford
L 'esperimento di Rutherford (1910)
Pallottole : particelle a (nuclei 4He++ )prodotte da sorgente radioattiva
─
qa= 2e , Ma ~8000 me
Bersaglio : sottile lamina d'oro
─
qAu= 79e , MAu ~50 ma
Osservo la de.essione delle particelle dopo l'urto
Il pregiudizio : modello di Thomson
Il panettone (plum cake): la carica positiva e' distribuita
uniformemente su una sfera (la pasta) su cui sono incastonati
gli elettroni (l'uvetta)
Predizione: le particelle a devieranno poco
L'osservazione
Si osservano particelle deviate a grande
angolo !
Predizione del modello a panettone
L'interpretazione: il modello
nucleare
Si osservano particelle deviate a grande
angolo !
La carica positiva deve essere concentrata
(le pepite)
L'interpretazione: il modello
nucleare
Si osservano particelle deviate a grande
angolo !
La carica positiva deve essere concentrata
(le pepite)
Ora sappiamo che :
─RAtomo
~ 10-10 m
─RNucleo
~ 10-15 m ~ RA /100 000
Le Stesse Cose Ritornano
1940-1960: osservate centinaia di diverse particelle subnucleari
instabili (che cioe' decadono molto rapidamente), gli ADRONI
Regolarita' : catalogati in “multipletti”
UNA NUOVA TAVOLA PERIODICA
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La risposta dello scienziato (1960)
1940-1960: osservate centinaia di diverse particelle subnucleari
instabili (che cioe' decadono molto rapidamente), chiamate ADRONI
Regolarita' : catalogati in “multipletti”
1964: Gell-Mann & Zweig (indipendentemente) ipotizzano che gli
adroni siano strutture complesse, composte da tre costituenti
elementari,
i quark up, down, strange
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17
Murray Gell-Mann
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18
Three quarks for Muster Mark
"Then, in one of my occasional perusals of
Finnegans Wake, by James Joyce, I came
across the word "quark" in the phrase
"THREE quarks for Muster Mark".
In realta' i quark sono SEI (arrangiati in tre doppietti):
u
( )
d
c
( )
s
t
( )
b
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Three quarks for Muster Mark
"Then, in one of my occasional perusals of
Finnegans Wake, by James Joyce, I came
across the word "quark" in the phrase
"THREE quarks for Muster Mark".
A man's errors are his
portals to discovery
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Le Stesse Cose Ritornano
L'ipotesi e' poi confermata da esperimenti “a la Rutherford” di diffusione di
elettroni da nuclei d'idrogeno (protoni) (SLAC 1965 - Desy 1980)
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Le Stesse Cose Ritornano
─ L'ipotesi e' poi confermata da esperimenti “a la Rutherford” di diffusione di
elettroni da nuclei d'idrogeno (protoni) (SLAC 1965 - Desy 1980)
1910 : il nucleo nell'atomo
1980 : i quark nel protone
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I Costituenti Fondamentali : 1980
La materia consiste di 12 particelle
elementari, 6 leptoni e 6 quark,
raggruppate in 3 famiglie
Per ogni particella, c'e'
un'antiparticella, identica in tutto,
tranne che per avere carica
(elettrica, debole, o forte) di segno
opposto
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23
Materia Ordinaria
La materia ordinaria nell'universo e'
formata solo dalle particelle della
prima generazione, il resto e'
prodotto in laboratorio o dalle
interazioni dei raggi cosmici con
l'atmosfera
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I Neutrini
Prodottinel decadimento b di nuclei instabili
14
─ T1/2 ( Ca) = 5730 ys
Interazioni deboli :
─ particelle molto elusive
C
14
→ N + ν e +e
14
−
C 10 → B 10 +ν e +e+
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Neutrini
1930 : Pauli postula l'esistenza del ne per garantire la conservazione dell'energia nel
decadimento b
−
n→p e %oveline ν e
1957 : Reines e Cowans osservano il processo di cattura :
+
ν¯e p→e n
1962 : Steinberg, Lederman & Schwartz scoprono un nuovo neutrino (nm)
1990 : dati di LEP confermano l'esistenza di tre specie di neutrini (ne/nm/nt)
2000 : DONUT (FNAL) annuncia l'osservazione del
nt
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I Costituenti Fondamentali
I n permeano l'universo
Sulla terra :
11
-2 -1
─ Sole : 10 cm s
─ interazione dei raggi cosmici con
l'atmosfera
─ esplosione supernovae (secoli)
3
─ relitti del Big Bang (1 / cm )
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I Costituenti Fondamentali
La forza tra le (anti)particelle di materia e' trasmessa (mediata) da altre
particelle , i cosiddetti bosoni di Gauge
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I Costituenti Fondamentali
Abbiamo misurato molto bene le
proprieta' di tutte queste particelle
Ne conosciamo:
─ carica elettrica, nucleare, debole
─ ... durata (vita media) ...
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I Costituenti Fondamentali
Abbiamo misurato molto bene le
proprieta' di tutte queste particelle
Ne conosciamo:
─ carica elettrica, nucleare, debole
─ ... durata (vita media) ...
─ ... massa
Ay, there's the rub
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Le scale delle masse
Fermioni (materia) :
m (TOP )≃m (Yb)≃180 m (Protone )
m TOP ≃350 000 m elettrone
m e 500 000 m
Bosoni (forza)
1
m Z ≃m W ≃ m TOP
2
m =m gluone =0 !
... perche' tante differenza ?
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Cos'e' la massa ?
Fisica Classica: la massa e'
l'inerzia con cui un corpo
reagisce all'azione di una
forza
=m a
F
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Cos'e' la massa ?
Fisica Classica: la massa e'
Fisica Moderna : la massa e'
reagisce all'azione di una
corpo isolato, in quiete
l'inerzia con cui un corpo
forza
=m a
F
l'energia che possiede un
E =m c
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2
33
Cos'e' la massa ?
Fisica Classica: la massa e'
Fisica Moderna : la massa e'
reagisce all'azione di una
corpo isolato, in quiete
l'inerzia con cui un corpo
forza
l'energia che possiede un
In entrambi i casi e' un parametro che inseriamo “a forza”
nelle nostre equazioni
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Cos'e' la massa ?
Fisica Classica: la massa e'
Fisica Moderna : la massa e'
reagisce all'azione di una forza
isolato, in quiete
l'inerzia con cui un corpo
l'energia che possiede un corpo
MODELLO STANDARD (teoria Quantistica Relativistica) :
massa e' conseguenza dell' interazione
particella -campo di Higgs
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Cos'e' la massa ?
Fisica Classica: la massa e'
Fisica Moderna : la massa e'
reagisce all'azione di una forza
isolato, in quiete
l'inerzia con cui un corpo
l'energia che possiede un corpo
MODELLO STANDARD (teoria Quantistica Relativistica) :
massa e' conseguenza dell' interazione
particella -campo di Higgs
la V forza
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Il Modello Standard (senza l'Higgs)
Senza il campo di Higgs, tutte le particelle sarebbero prive di
massa
m(e) = m(TOP) = m(W) = ... = 0 !
si muoverebbero tutte alla velocita' della luce
non ci sarebbero strutture :
─ niente atomi
─ niente molecole
─ niente stelle
─ ... e neanche noi !
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TOP
t
Spazio
e
g
Nel Modello Standard
senza il campo di Higgs
tutte le particelle sono prive
di massa e si muovono alla
velocita' della luce
Tempo
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il Campo di Higgs
Nambu, Brout, Englert:
Tutto l'universo e' permeato da un “campo” ( F(x) )
Le particelle interagiscono con questo campo e ne vengono
frenate
Maggiore e' l'interazione, maggiore e' il rallentamento
Massa : manifestazione della interazione con il campo
Grande massa : grande legame tra la particella e il campo F
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39
TOP
●
t
Spazio
Le particelle interagiscono con
il campo di Higgs .
●
Maggiore l'interazione,
maggiore e' la viscosita' del moto
e
●
g
Questa “viscosita'” e' quel che
chiamiamo MASSA
●
Fotoni (e gluoni) hanno massa
nulla, perche' non interagiscono
con F
Tempo
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40
... come pesci nel mare ...
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41
il Campo di Higgs
e la storia dell'Universo
Questo processo avviene in un momento preciso della storia
dell'universo
Espandendosi dopo il Big Bang, questo si raffredda
Il campo F(x) cambia forma, e nasce l'interazione con le
particelle (ROTTURA SPONTANEA DI SIMMETRIA)
PRIMA
DOPO
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42
il Campo di Higgs
e la storia dell'Universo
Questo processo avviene in un momento preciso della storia
dell'universo
Espandendosi dopo il Big Bang, questo si raffredda
Il campo F(x) cambia forma, e nasce l'interazione con le
particelle (TRANSIZIONE DI FASE)
cio' avviene
−12
10
sec
ossia 1 millesimo di miliardesimo di secondo dopo il Big Bang
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43
TOP
Le particelle interagiscono
Z
Spazio
con il campo di Higgs .
Maggiore l'interazione,
maggiore e' la viscosita' del moto
e
Questa “viscosita'” e' quel che
g
chiamiamo MASSA
Ci sono gli atomi , le stelle, i pianeti , la biologia
Fotoni
(e gluoni) hanno massa
... ci siamo
noi
nulla, perche' non interagiscono
con F
Tempo
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44
L 'equazione del Modello Standard:
extended version
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45
L'equazione del M.S. compatta
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46
Un'elegante speculazione ?
Come possiamo validare (vericare) questa elegante teoria ?
Peter Higgs :
con il nuovo campo
deve comparire anche una nuova particella,
il Bosone di Higgs
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47
Il Bosone di Higgs (“the goddam particle”)
Il Modello Standard ne predice molte
proprieta' :
─ i meccanismi di produzione
─ legame con le altre particelle
─ tempo di vita (brevissimo)
─ stato di rotazione intrinseca (SPIN, nullo)
─ carica elettrica (nulla)
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48
Il Bosone di Higgs (“the goddam particle”)
Il Modello Standard ne predice molte
proprieta' :
─ i meccanismi di produzione
─ legame con le altre particelle
─ tempo di vita (brevissimo)
ma non ne predice
─ stato di rotazione intrinseca (SPIN, nullo)
(precisamente)
─ carica elettrica (nulla)
la massa
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49
La caccia al Bosone
Per validare questa teoria dobbiamo:
─ trovare questa particella
─ misurarne le proprieta' e confrontarle con le previsioni del MS
(...there are more things between heaven and earth... )
Per tutto questo (ed altro ancora), abbiamo costruito il
LARGE HADRON COLLIDER
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50
Collisori di Particelle
Massa ed energia sono equivalenti.
E = mc
2
Posso convertirle l'una nell'altra
Posso produrre particelle molto pesanti ...
─ ... facendo collidere particelle leggere molto energetiche
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51
Non esiste equivalente classico ...
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52
Non esiste equivalente classico ...
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53
Che sapevamo prima di LHC ?
modi di decadimento di h vs m(h)
h e' massiccio:
m(h) > 120 GeV ~ 120 protoni
la sua produzione e' un
fenomeno rarissimo
si disintegra(decade)
immediatamente,
producendo altre particelle
in topologie anche molto
complicate
candidato h registrato da ATLAS
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54
Che sapevamo prima di LHC ?
e' massiccio:
Acceleratore :
m(h) > 120 GeV ~ 120 protoni
la sua produzione e' un
fenomeno rarissimo
si disintegra(decade)
immediatamente,
producendo altre particelle
in topologie anche molto
complicate
Grande energia ( E ~ 14 TeV)
Grande frequenza
(LUMINOSITA')
Rivelatori :
gran dettaglio
(GRANULARITA')
gran precisione
(RISOLUZIONE)
candidato h registrato da ATLAS
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55
La Fisica agli Acceleratori
Particella m (GeV/c2) Collisore
Anni
E(fascio) (GeV)
J/Y
3.01
Y(4S)
10.57
CESAR
1980-2000
5.38
Y(4S)
10.57
PEPII
2000-2008
10 – 3
Z0
91
LEP/SLC
1990-1995
45.5
WW
160
LEP II
1996-2000
210
Top
173
Tevatron
1983-2008
900
H
125
LHC
2012
4000
?
?
LHC
2015-2030
6500
Ada/Spear 1970-1980
1.5
LHC e' l'acceleratore piu' prestante di sempre :
E = 13 TeV
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Quanto e' Grande un TeV
L'elettronVolt (e i suoi multipli) e' l'unita' di misura utilizzata nella
sica atomica e subatomica
1 TeV = 1012 ev :
─ 1000 miliardi di eV
─ circa 1000 volte la massa del protone ,
─ circa 6 volte la massa del top (la piu' pesante particella nota)
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Quanto e' Grande un TeV
L'elettronVolt (e i suoi multipli) e' l'unita' di misura utilizzata nella
sica atomica e subatomica
1 TeV = 1012 ev
─ cioe' ~ 1.6 erg , meno di un milionesimo di Watt sec.
Una lampadina di un Watt, in un secondo emette circa un milione
di volte l'energia dei protoni di LHC
... dov'e' il trucco ?
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58
Quanto e' denso un TeV
Quest'energia e' concentrata in un volume piccolissimo~R3protone
E' enorme la “densita' “ di energia, ossia il rapporto :
uE = (Energia Sviluppata) / (Volume Sensibile)
uE ~ 1012 / (10-17)3 = 1061 eV/m3
- 1 collisione a LHC
uE ~ 1018 / (10-3 )3 = 1027 eV/m3
- 1 sec della lampadina
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59
Quanto e' denso un TeV
L'energia e' concentrata in un volume piccolissimo (~ dimensioni
del protone)
E' enorme la “densita' “ di energia, ossia il rapporto :
(Energia Sviluppata) / (Volume Sensibile)
Questo ripristina (per tempi brevissimi) situazioni prossime a
quelle dell'origine dei tempi, corrispondenti a pochi istanti
successivi al Big Bang
I collisori di particelle sono vere e proprie macchine del tempo
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60
A Ritroso nel Tempo
L'Universo si espande
Nell'espansione l'Universo ha distribuito la propria energia su
un volume molto piu' vasto, disperdendosi e raffredandosi
Il valore della temperatura, come misura della densita' di
energia, e' legata al tempo trascorso dal momento del Big Bang
LHC ~ 1017 oK , ovvero ~ 10-15 sec dopo il Big Bang, ovvero
quando l'universo poteva essere contenuto nel volume di un
atomo
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LHC
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LHC - requisiti
Idea semplice : faccio collidere due particelle (protoni) alla massima
energia possibile (7+7 TeV) , e guardo cosa vien fuori
Cerco processi rari, quindi devo accumulare molte osservazioni
(eventi) :
─ molte collisioni per secondo (alta luminosita')
─ lungo periodo di osservazione ( 2009->2030 )
(Tevatron @ Fermilab ha operato per 20 anni)
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63
Alta Energia ...
Cavita' acceleratrici fornisco circa 20 MeV di energia
per metro di lunghezza
E
E' = E + 20 MeV
Per raggiungere 7 TeV, ovvero 7 milioni di MeV, dovrei
usare oltre 300.000 cavita' !
─ costi proibitivi
─ ingombri impensabili
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Alta Energia ...
Cavita' acceleratrici fornisco circa 20 MeV di energia
per metro di lunghezza
Per raggiungere 7 TeV, ovvero 7 milioni di MeV, dovrei
usare oltre 300.000 cavita' !
─ costi proibitivi
─ ingombri impensabili
Accelero i protoni su traiettorie circolari, cosi' uso la
stessa cavita' piu' volte (una per giro)
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65
... quindi grandi strutture
Curvo la traiettoria utilizzando campi magnetici
E≃cp=c (B e r)
c = 300 000 000 m/s
e = carica del protone
( 1.6 10-19 C)
Grandi energie :
grande raggio di curvatura (r)
grandi campi magnetici (B)
LHC : r = 4.5 Km, B = 8 T
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66
LHC : il sito
LHC e' stato installato nel tunnel sotterraneo scavato negli anni 80
per un precedente acceleratore, il LEP
La circonferenza del tunnel misura 27 Km, la profondita' varia tra 50 e
150 m
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67
Il complesso
LHC e' lo stadio nale di un complesso sistema che utilizza
svariati acceleratori in cascata
Il penultimo stadio (SpS) e' l'acceleratore progettato da Carlo
Rubbia per osservare W e Z nei primi anni 80
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68
I Magneti di LHC
Servono comunque 1232
Per limitare l'assorbimento di
(9Tesla) di grandi dimensioni
superconduttori ,
potentissimi magneti dipolari
( L ~ 15 m)
potenza : magneti
T = 1.9 oK = -271.1 oC,
<T
o
>
=
2.3
K
Universo
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69
Nel Tunnel
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70
I Fasci
I protoni sono raggruppati in 2808 x 2 pacchetti (bunches)
In ogni bunch : 115 miliardi di protoni (1.15 x 1011)
Bunches accelerati in due tubi a vuoto per circolare su traiettorie
opposte
I bunches vengono strizzati (6x6 mm2)
... e fatti collidere nei punti di intersezione
40.000.000 di collisioni al secondo
( ma ne registriamo ~ 100 / sec )
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71
Gli esperimenti
Le collisioni hanno luogo in quattro punti , dove sono alloggiati
quattro rivelatori, disegnati con obbiettivi diversi
ATLAS
ATLASeeCMS
CMS
Higgs
HiggseeOltre
Oltre
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72
Gli obbiettivi (mission) di ATLAS e CMS
Scoprire il Bosone di Higgs e misurarne le proprieta'
Ricercare segnali non attesi, indicatori della presenza di nuova Fisica
Il Bosone di Higgs , o le nuove particelle, non sono osservati
direttamente, ma ricostruendo le particelle note in cui decadono:
e-/+ (elettrone)
m-/+ (muone)
p+/-,K+/- , p+/- (adroni : pioni, kaoni e protoni carichi)
g (fotone)
K0L, n (adroni neutri)
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73
Rivelatori : le dimensioni
Gli eventi sono estremamente complessi (migliaia di particelle
osservabili sono prodotte ad ogni interazione)
Servono rivelatori di dimensioni colossali
immersi in potenti campi magnetici per misurare l'impulso delle
tracce
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74
A
Toroidal
Lhc
ApparatuS
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75
Compact
Muon
Solenoid
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76
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77
Identificazione di Particelle in CMS
ANIMAZIONE
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78
Un caso facile
(De profundis spectavi)
Muone da
raggi cosmici
osservato con
LHC non
operativo
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79
Un caso meno facile
Tipica
collisione
pp a LHC
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80
Un candidato Higgs
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81
Come si Misura
Osserva tutte le collisioni (40 milioni “foto”/sec)
Preselezione “al volo”. Due ltri rigettano eventi “banali”:
─ I ltro sceglie 100 mila ev/sec ( 1/400 )
─ II ltro (50000 CPU al lavoro), 300 ev/sec (1/330)
tutti scritti su disco :
equivalenti a 3 milioni DVD registrati ogni anno
Dati distribuiti in tutto il mondo (500 Gbit/sec)
sici di tutto il mondo studiano (analizzano) gli eventi
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82
LHC : World Wide Work
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83
Le Risonanze
Molte particelle (tra cui l'Higgs ?) decadono in tempi brevissimi (~10 -24 s)
Possiamo inferirne la presenza osservando i prodotti di decadimento e utilizzando la
relazione massa – energia di Einstein:
m+
mH
Z
Z
m+
m-
2
M h c =E 1 E 2 E 3 E 4
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84
Padri e figli
un po' come cercare dalle caratteristiche di un insieme di persone
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85
Padri e figli
un po' come cercare dalle caratteristiche di un insieme di persone
... il genitore comune
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86
Complicazioni
L'Higgs e' prodotto assieme a centinaia di altre particelle
─ in ogni evento di Higgs devo considerare svariati possibili
accoppiamenti
La produzione di Higgs e' un processo raro
─ devo analizzare (e scartare) moltissimi processi piu' comuni
─ alcuni sopravvivono alla selezione e formano un rumore di
fondo
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87
Risonanze in m+m- a CMS
Cinquant'anni di scoperte
riassunte nei primi giorni di lavoro
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88
La Ricerca dell'Higgs
La ricerca e' preparata con studi sulle simulazioni
Il colore distingue il segnale (h) dal rumore (combinazioni casuali)
... ma nella realta' nessuno ci “colora” gli eventi
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89
La scoperta dell'Higgs
Luglio 2012 : ATLAS e CMS annunciano simultaneamente la scoperta di una
nuova particella di massa m=125 GeV con caratteristiche compatibili con
quelle del BOSONE DI HIGGS
L'osservazione e' confermata dall'analisi nale, basata su tutti i dati raccolti
no a Dicembre 2012
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90
La scoperta dell'Higgs
Luglio 2012 : ATLAS e CMS annunciano simultaneamente la scoperta di una
nuova particella di massa m=125 GeV con caratteristiche compatibili con
quelle del BOSONE DI HIGGS
L'osservazione e' confermata dall'analisi nale, basata su tutti i dati raccolti
no a Dicembre 2012
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91
Proprieta' della nuova particella
Tutte le misure sono consistenti con le predizioni del Modello
Standard per il Bosone di Higgs
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Implicazioni
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Altre Implicazioni
L'Higgs permea l'universo e lo caratterizza.
Il nostro universo e' metastabile
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Altre Implicazioni
L'Higgs permea l'universo e lo caratterizza.
Il nostro universo e' metastabile
... tra 13 miliardi di anni avra' luogo una nuova transizione di fase
... e l'universo collassera' ...
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... a meno che ...
... non si manifestino nuovi fenomeni:
─ Supersimmetria
─ Extra dimensioni
─ Technicolor
─ Higgs : condensato di fermioni
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Nuove Risonanze ?
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Ricerca di Materia Oscura
Oscura : non interagisce con la materia ordinaria
Attraversa il rivelatore senza lasciare traccia di se'
Allora non si bilancia l'energia totale:
─ sommo tutto quel che vedo
─ calcolo la massa totale, l'energia totale (nel piano
trasverso) e vedo se manca qualcosa
In pratica e' difcile:
─ neutrini
─ il rivelatori ha dei buchi (cavi, elettronica non
funzionante)
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Altre Ricerche
particelle pesanti stabili
particelle a lunga vita media che si incagliano nel rivelatore
Buchi neri
E come li vediamo ?
Di seguito tre possibilita'
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Produzione e manifestazione di un
buco nero
Teorie con extra-dimensioni prevedono una produzione relativamente abbondante
Il buco nero evapora (radiazione di Hawking) emettendo isotropicamente particelle
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Produzione e manifestazione di un
buco nero
Teorie con extra-dimensioni prevedono una produzione relativamente abbondante
Il buco nero evapora (radiazione di Hawking) emettendo isotropicamente particelle
Segnale : grandi emissioni di energia, distribuita democraticamente tra molte
particelle
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Molte novita' abbiamo cercato ...
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... ma nulla e' emerso
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... tuttavia ...
LHC nora ha operato a meta' della sua potenza (4+4 TeV)
Ora e' pronto per ripartire all'energia di progetto
Giugno 2015 -> 2020 : riprende operazioni a 6.5+6.5 TeV,
─ accumulera' 15 x eventi raccolti nora
Aumento esponenziale della capacita' d'indagine
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Venit iam carminis aetas
Dopo una lunga fatica, e' iniziata l'era di LHC
La macchina e gli esperimenti funzionano alla grande
Finora nessuna sorpresa ...
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Venit iam carminis aetas
Dopo una lunga fatica, e' iniziata l'era di LHC
La macchina e gli esperimenti funzionano alla grande
Finora nessuna sorpresa ...
... ne' ce ne aspettavamo
L'avventura incomincia ora, percio'
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