Francesco  Forti INFN  e  Università  di  Pisa Francesco.Forti@pi.infn.it

Un  velo  di  particelle  

minutissime La fisica delle particelle tra ricerca di base, energia nucleare, applicazioni

Leggerezza •  Oggi ogni ramo della scienza sembra

ci voglia dimostrare che il mondo si regge su entità sottilissime: come i messaggi del DNA, gli impulsi dei neuroni, i quarks, i neutrini vaganti nello spazio dall'inizio dei tempi...

•  …Non è una melanconia compatta e opaca, dunque, ma un velo di particelle minutissime d'umori e sensazioni, un pulviscolo d'atomi come tutto ciò che costituisce l'ultima sostanza della molteplicità delle cose.

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Perché  ?

Scala  dell’universo Di  che  stoffa  siamo  faEi  ?

Materia  e  antimateria

Storia  dell’universo  dal  Big  Bang

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Perché  si  studia  la  fisica  delle  particelle  ?

hEp://scaleofuniverse.com/ hEp://www.particleadventure.org/history-­‐‑universe.html

Scala  dell’universo

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Particelle

Dunque è pur di mestier che la natura D'invisibili corpi il tutto formi. Ma non creder però che l'universo Sia pieno affatto. In ogni cosa il vôto Misto è co' corpi…

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Di  che  stoffa  siamo  faEi  ? L’eterna ricerca dei costituenti “fondamentali” •  1800: atomi, tavola periodica •  1897: elettrone (Thomson, Nobel 1906) •  1919: protone (Rutherford, aveva già il Nobel 1909) •  1932: neutrone (Chadwick, Nobel 1935) •  1967: quarks (Kendall, Friedman & Taylor, Nobel 1990)

Hanno  carica  frazionaria

Esistono  tre  generazioni

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QUARKS

Tre  generazioni  ? •  Per fare il nostro mondo

bastano due quark e un leptone o  uud = protone o  udd = neutrone o  elettrone

•  Perché ci sono le altre generazioni ?

•  Da cosa sono determinate le masse ?

•  Riusciamo a spiegare il cosmo ?

•  à Domande cruciali massa

Bosone  di Higgs

Modello  Standard  delle  Interazioni  Fondamentali

 

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Materia  e  antimateria •  Dirac predisse l’esistenza

dell’anti-materia o  A partire da un modello matematico

•  1932: Scoperto il positrone (=anti-elettrone) o  Nei raggi cosmici

•  1955: scoperto l’anti-protone o  Prodotto in un acceleratore a Berkeley.

•  Ad ogni particella corrisponde una anti-particella o  Stessa massa o  Carica opposta

Una  (quasi)  perfeEa  simmetria    tra  materia  ed  antimateria

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Materia  ed  energia •  Einstein aveva capito

l’equivalenza tra materia ed energia.

•  Le ordinarie particelle sono stabili e non si trasformano in energia

•  Ma se materia ed anti-materia si incontrano……

e+ e-­‐‑

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Ma  dov’è  finita  l’antimateria  ? •  Se al momento del Big Bang si sono create uguali

quantità di materia ed antimateria, •  Perché nel nostro mondo c’è solo materia ?

•  L’antimateria è altrove ? No, le osservazioni del cosmo lo escludono.

•  Materia e antimateria non sono perfettamente simmetriche à Violazione della simmetria di “CP”

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Simmetria  di  CP •  Per trasformare particelle in anti-

particelle dobbiamo invertire la carica (C), ma anche fare una riflessione nello specchio (P) à CP.

•  Una violazione della simmetria di CP (cioè una differenza tra materia ed antimateria) è prevista nel modello standard o  Scoperta da Cronin e Fitch nel 1964 per i mesoni K o  Scoperta dagli esperimenti Babar e Belle nel 2001

per i mesoni B

Ma Sakharov nel 1967 dimostrò che quantitativamente la asimmetria di CP del modello standard NON è sufficiente a giustificare l’abbondanza di materia

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Tante  domande •  Perché ci sono tre generazioni di

quark e leptoni ? •  Da cosa sono determinate le

masse ? •  Qual è la sorgente di asimmetria

materia – antimateria nell’universo ?

•  Ma anche: o  Di cosa è fatta la materia oscura o  Che cos`è l’energia oscura dell’universo

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Storia  dell’Universo

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Piccole  fluEuazioni  crescono  

Il  cielo  visto  da  Fermi-­‐‑Glast F.Forti - Un velo di particelle minutissime 14

TuEo  in  un  punto Si capisce che si stava tutti lì, - fece il vecchio Qfwfq, - e dove, altrimenti? Che ci potesse essere lo spazio, nessuno ancora lo sapeva. E il tempo, idem: cosa volete che ce ne facessimo, del tempo, stando lì pigiati come acciughe? Ho detto «pigiati come acciughe» tanto per usare una immagine letteraria: in realtà non c'era spazio nemmeno per pigiarci. Ogni punto d'ognuno di noi coincideva con ogni punto di ognuno degli altri in un punto unico che era quello in cui stavamo tutti. Insomma, non ci davamo nemmeno fastidio, se non sotto l'aspetto del carattere, perché quando non c'è spazio, aver sempre tra i piedi un antipatico come il signor Pbert Pberd è la cosa più seccante.

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Che  cosa  ?

Particelle  pesanti Particelle  virtuali

Frontiere  dell’energia  e  dell’intensità.  

Decadimenti  rari  e  asimmetrie  di  CP

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Che  cosa  si  misura  ?

Particelle  pesanti •  Lo zoo delle particelle è

stato esplorato in lungo e in largo.

•  La spiegazione alle tante domande si deve nascondere in particelle più pesanti che ancora non abbiamo scoperto.

•  Come le possiamo produrre e misurare ?

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Particelle  virtuali •  Principio di indeterminazione di Heisenberg

•  Non è possibile determinare contemporaneamente

•  Per un intervallo di tempo infinitesimo si possono creare particelle pesanti dal nulla o  Subito dopo vengono riassorbite e scompaiono

•  Ma lasciano delle tracce, delle orme che possono essere misurate.

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Posizione  e    quantità  di  moto

Energia  (=massa)  e  tempo

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Due  corsie •  Frontiera dell’energia

Aumentare l’energia degli acceleratori per produrre direttamente le nuove particelle

•  Frontiera dell’intensità

Aumentare il numero di particelle “ordinarie” prodotte per studiarle così in dettaglio da vedere le tracce della nuova fisica

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N.B.:  molti  altri  esperimenti  alla  frontiera  dell’intensità

Energia/Intensità •  Vogliamo osservare una grande nave che passa al

largo. Possiamo: o  cercare di vederla direttamente con cannocchiale potente. o  misurare con grande precisione le onde che arrivano a riva.

LHC/Energia

BELLE-­‐‑II/Intensità

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Che  cosa  si  può  misurare •  Bisogna scegliere le particelle giuste: seconda o

terza generazione (Fisica del sapore) o  Mesoni K, D, B o  Leptone τ

•  Decadimenti rari o proibiti o  Decadimenti che nel modello standard

avvengono con probabiltà molto bassa o per niente

o  Le particelle virtuali pesanti possono renderli possili.

o  Esempio: leptone tau che decade (solamente) in un leptone mu ed un fotone

•  Violazione del sapore leptonico ⇥� ! µ��

?

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Una  probabiltà  su  un  miliardo

Asimmetrie  e  oscillazioni •  L’altalena dei mesoni B •  Simmetria à stessa probabilità

di andata e ritorno. •  Asimmetria à differenze tra

materia ed antimateria àViolazione della simmetria di CP •  Un po’ di differenza è predetta dal modello standard (e misurata) à NON BASTA !

•  Ci possono essere molti effetti dovuti alle particelle virtuali (ondine piccole piccole) à DA MISURARE

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Quanto  scommeEiamo  ? Quando cominciammo a scommettere non c'era ancora niente che potesse far prevedere niente, tranne un po’ di particelle che giravano, elettroni buttati in qua e in là come vien viene, e protoni su e giù ciascuno per suo conto. Io non so cosa sento, come stesse per cambiare il tempo (in effetti s'era messo un po’ freddo) e dico: -  Scommettiamo che oggi la va ad atomi?

E il Decano (k) yk: - Ma fà il favore: atomi! Io scommetto di no, tutto quello che vuoi. E io: - Scommetteresti anche ix? E il Decano: - Ix elevato a enne! Non aveva finito di dirlo, e già attorno a ogni protone aveva preso a vorticare il suo elettrone, ronzando. Un'enorme nube d'idrogeno si stava condensando nello spazio. - Hai visto? Pieno d'atomi!

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In  che  modo  ?

Acceleratori   • Bersaglio  fisso • Collisori

I  rivelatori

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Acceleratori A bersaglio fisso: si sparano particelle accelerate su di un bersaglio fermo.

Collisori: si accelerano due fasci e si fanno collidere. e+e� ; pp ; pp

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Come  si  accelerano  le  particelle  ? •  Il campo elettrico esercita un forza sulle particelle cariche •  Un onda elettromagnetica a radiofrequenza che si propaga

produce un campo elettrico che si muove con la particella •  Per arrivare ad alte energie il trucco è essere sempre sulla

cresta dell’onda

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Primo  collisore  e+e-­‐‑  -­‐‑  1961 •  Anello di Accumulazione AdA •  Energia 0.25 + 0.25 GeV.

Frascati Orsay  

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Adone  a  LNF  -­‐‑  1969 •  Prima macchina

moderna e+e- •  Energia

1.5 + 1.5 GeV •  Laboratori

Nazionali di Frascati

F.Forti - Un velo di particelle minutissime 28 Frascati

Spear  a  SLAC  -­‐‑  1973 •  3+3 GeV (e+e-) •  Soperta della

J/ψ= charm-anticharm

•  Massa 3.1 GeV •  Annuncio in

contemporanea con BNL

•  11 novembre 1974

Beffa  o  sfortuna  per  Frascati:  l’energia  di  3  GeV  era  appena  soEo la  soglia  per  produrre  la  J/ψ  

F.Forti - Un velo di particelle minutissime 29 Stanford,  California

LEP  al  Cern  -­‐‑  1989

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45+45  GeV  à 104.5+104.5  GeV

Ginevra,  Svizzera

DaΦne  a  LNF  -­‐‑  1999

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0.51  +  0.51  GeV

Frascati

Le  due  frontiere Energia Intensità

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Scala  di  energia •  Fotone di luce rossa: 1 eV

o  1eV = 1 elettrone attraverso 1 V = 1.6 x 10-19 J

•  Massa elettrone = 511 keV = 511.000 eV •  Atomo di idrogeno = 1 GeV = 1.000.000.000 eV •  Fabbriche di B = 10.58 GeV = 10.580.000.000 eV •  Energia a LHC: 13 TeV = 13.000.000.000.000 eV

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LHC  @  CERN

F.Forti - Un velo di particelle minutissime 34 Ginevra,  Svizzera

L’acceleratore  più  potente  al  mondo  (13  TeV)  in  un  tunnel  di  27  km

Large  Hadron  Collider

PEP-­‐‑II  e  Babar

F.Forti - Un velo di particelle minutissime 35 Stanford,  California

KEK-­‐‑B  e  Belle  à  Belle-­‐‑II U14'$+%4)!_!P`)%+)>*,*4,.1)`*$$*)/)U-545:%

Tsukuba-san

!"##"$%$!

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~premer 1 km

@AB)('1*C)@DDE 0*,*1)!1%2'+?)3F3G;<=

F.Forti - Un velo di particelle minutissime 36 Tsukuba,  Giappone

Rivelatori •  Apparati molto

complessi •  Tecnologie

avanzate •  Grandi

collaborazioni internazionali

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Gigantesche  cipolle •  I vari tipi di particelle danno segnali diversi nei vari

strati di rivelatore •  Il rivelatore è il

risultato di un diffile compromesso tra non disturbare le particelle e ottenere un segnale abbastanza intenso da essere rivelato

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BABAR

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2011:  il  tracciatore  al  silicio  di  Babar  va  al  museo

•  S

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Bello,  ma  serve  ? •  La ricerca di base risponde ad una

esigenza di conoscenza •  Ma permette anche di scoprire cose e

strumenti che possono essere applicati a migliorare la nostra vita (o purtroppo a peggiorarla).

•  La grande domanda del nostro tempo e’ come essere sicuri che la perenne rivoluzione scientifica porti effettivamente benefici a tutti, piuttosto che allargare il divario tra ricchi e poveri. … La tecnologia deve essere guidata dall’etica se deve fare qualcosa di più’ che creare nuovi giocattoli per i ricchi.

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Freeman  Dyson

Raggi  X •  Tantissime applicazioni dei raggi nella nostra società

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Serve  l’anti-­‐‑materia  ? •  Prodotta normalmente dai raggi cosmici,

da certi decadimenti radioattivi, e negli acceleratori.

•  Si può anche usare senza “esplosioni”.

•  Ad esempio la PET

photon detector

photon detector

Si inietta una sostanza radioattiva che emette positroni Si misurano i fotoni che risultano dalla annichilazione elettrone-positrone

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Fissione  nucleare •  La scoperta che un neutrone lento può spezzare un

nucleo di Uranio ha portato alla possibilità di costruire reattori (e bombe)

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Ricerca  fondamentale L’esplorazione delle frontiere della conoscenza non è solo affascinante, ma anche importantissimo per l’uomo e la società. Non si tratta di una curiosità accademica, ma del solo modo che esista per scopire cose veramente nuove, inaspettate, e fornire all’umanità gli strumenti concettuali per la tecnologia del futuro. Nel breve termine genera un’infinità di ricadute industriali e tecnologiche, avvicina le nazioni nella collaborazione a fini scientifici, e soprattutto aiuta a formare e a far crescere le generazioni future.

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L’immaginazione è più importante della conoscenza.

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GRAZIE DELL’ATTENZIONE

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