F.Riggi, Corso presso l’ITIS Cannizzaro, Catania, 6 Marzo 2009

Dal Microcosmo

al

Macrocosmo

Viaggio attraverso le potenze di 10

Di che cosa è fatto il mondo e cosa lo tiene insieme?

Rodin, Il pensatore

La dottrina dei 4 elementi

Il mondo ci appare sotto una incredibile varietà di forme

Il mondo ci appare sotto una incredibile varietà di forme

Il mondo ci appare sotto una incredibile varietà di forme

Il mondo ci appare sotto una incredibile varietà di forme

Il mondo è fatto di atomi!

(circa 100 specie diverse)

Mendeleev, 1869

Il mondo è fatto realmente di atomi indivisibili?

L’esperimento diRutherford, primi anni del 1900

Il mondo è fatto realmente di atomi indivisibili?

Il mondo è fatto realmente di atomi indivisibili?

Il mondo è fatto realmente di atomi indivisibili?

La struttura dell’atomo

L’atomo è quasi interamente vuoto. Solo una piccola zona al suo centro è occupato dal nucleo. Attorno ad esso si muovono gli elettroni.

Allora il mondo è fatto di nucleied elettroni...

Ma il nucleo atomico ha una sua struttura!

Costituito da protoni e neutroni

Adesso ho capito: il mondo è fatto di protoni, neutroni

ed elettroni...

Le particelle elementari intorno al 1930

Esistono altre particelle in natura?

Esistono altre particelle in natura?

Oh YES!

Esistono altre particelle in natura?

Particelle osservate dapprima in natura e poi prodotte artificialmente:

Esempio: muoni (osservati nei raggi cosmici)

Esistono altre particelle in natura?

Particelle osservate dapprima in natura e poi prodotte artificialmente:

Esempio: muoni (osservati nei raggi cosmici)

Particelle prodotte dapprima artificialmente e poi osservate in natura

Esempio: pioni (prodotti mediante acceleratori)

La giungla delle particelle

Dagli anni ‘50 in poi…..

Pioni

Oltre 100 particelle prodotte artificialmente...

La giungla delle particelle

Dagli anni ‘50 in poi…..

Pioni

Muoni

Oltre 100 particelle prodotte artificialmente...

La giungla delle particelle

Dagli anni ‘50 in poi…..

Pioni

Neutrini

Muoni

Oltre 100 particelle prodotte artificialmente...

La giungla delle particelle

Dagli anni ‘50 in poi…..

Pioni

Neutrini

Muoni

Kaoni

Oltre 100 particelle prodotte artificialmente...

La giungla delle particelle

Dagli anni ‘50 in poi…..

Pioni

Neutrini

Muoni

KaoniEta

Oltre 100 particelle prodotte artificialmente...

La giungla delle particelle

Dagli anni ‘50 in poi…..

Pioni

Neutrini

Muoni

KaoniEta

Lambda

Oltre 100 particelle prodotte artificialmente...

La giungla delle particelle

Dagli anni ‘50 in poi…..

Pioni

Neutrini

Muoni

Kaoni

Xi

Eta

Lambda

Oltre 100 particelle prodotte artificialmente...

La giungla delle particelle

Dagli anni ‘50 in poi…..

Pioni

Neutrini

Muoni

Kaoni

XiOmega

Eta

Lambda

Oltre 100 particelle prodotte artificialmente...

La giungla delle particelle

Dagli anni ‘50 in poi…..

Pioni

Neutrini

Muoni

Kaoni

XiOmega

Rho

Eta

Lambda

Oltre 100 particelle prodotte artificialmente...

La giungla delle particelle

Dagli anni ‘50 in poi…..

Pioni

Neutrini

Muoni

Kaoni

XiOmega

Rho

Eta

Lambda

….….

….

…..

Oltre 100 particelle prodotte artificialmente...

E inoltre quella delle antiparticelle...

Pioni

Neutrini

Muoni

Kaoni

XiOmega

Rho

Eta

Lambda

….….

….

…..

Ogni particella ha la sua antiparticella!

Sono tutte realmente elementari?

Mi chiedo di cosa sia fatto il mondo….

Il mondo è fatto di quarks?

Le combinazioni di quarks rendono ragione della materia ordinaria. Ma essi non esistono allo stato libero, rimanendo sempre confinati nella struttura delle particelle che essi costituiscono.

Le particelle elementari nel modello standard

6 quarks

6 leptoni

4 portatori di forza

Le 4 forze fondamentali

Gravità

Elettromagnetismo

Forza forte

Forza debole

Ma forse sono aspetti diversi di un’unica forza

Una ricetta per il mondo...

Il Modello Standard lascia comunque aperti

molti problemi:

I problemi aperti

I raggi cosmici di altissima energia

I problemi aperti

Il deconfinamento dei quarks e gluoni

I problemi aperti

L’eventuale esistenza di un’ulteriore particella: il bosone di Higgs, prevista dal modello ma finora non osservata

I problemi aperti

L’unificazione delle forze

I problemi aperti

Le oscillazioni del neutrino

I problemi aperti

Il ruolo della materia e dell’antimateria nell’Universo

I problemi aperti

La materia oscura

Questi problemi riguardano allo stesso tempo

la comprensione della struttura della materia attuale

ma anche

le prime fasi evolutive dell’Universo

F.Riggi, Microcosmo e macrocosmo, Vacanze studio Gennaio 2002

Alcuni fatti salienti dopo il Big Bang:

T = 0 ?

T 0,000001 secondi: formazione protoni e neutroni

T 3 minuti: formazione dei primi nuclei

T 300.000 anni: formazione dei primi atomi

T 1 miliardo di anni: formazione delle galassie

T 15 miliardi di anni: formazione del Sole

Energia e tempo

Per avere informazioni su ciò che è successo in un intervallo di tempo sempre più piccolo occorre impiegare energie sempre più grandi

Qual è la massima energia impiegabile in linea di principio?

L’energia stessa di tutto l’Universo

0,0000000000000000000000000000000001 secondi

cioè 10-43 s

Il tempo di Planck

La Fisica rinuncia a investigare per ragioni di principio ciò che è antecedente a questo tempo

Come dare risposta ad alcuni dei problemi aperti?

Con esperimenti condotti mediante

- acceleratori di particelle

- osservazione delle radiazioni esistenti in natura (raggi cosmici, neutrini, gamma,...) dalla Terra o dallo spazio

Il Laboratorio sotterraneo del Gran Sasso

Un laboratorio realizzato in una miniera abbandonata in Giappone

Un apparato per la rivelazione di raggi cosmici di alta energia, in Germania

In che modo riusciamo a vedere le cose?

Che strumenti abbiamo bisogno per vedere gli oggetti?

Gli acceleratori di particelle

Il Laboratorio europeo CERN a Ginevra

Un complesso di acceleratori ad energie e dimensioni crescenti per lo studio della struttura della materia

Il Laboratorio europeo CERN a Ginevra

Gestito e supportato da vari Paesi europei

Il Laboratorio europeo CERN a Ginevra

Il tunnel dell’acceleratore SPS (ancora in funzione), con una circonferenza di 6 km

Il futuro al CERN: l’acceleratore LHC, un anello da 27 km di

circonferenza

Entrerà in funzione nel 2009. A quella data dovranno essere pronti anche i 4 apparati di rivelazione previsti

L’esperimento ALICE

L’esperimento ALICE

Oltre 1000 ricercatori

L’esperimento ALICE

Oltre 1000 ricercatori

Circa 80 Istituzioni

L’esperimento ALICE

Oltre 1000 ricercatori

Circa 80 Istituzioni

25 Nazioni

L’esperimento ALICE

Oltre 1000 ricercatori

Circa 80 Istituzioni

25 Nazioni

Hanno lavorato per oltre 10 anni (1995-2009) alla progettazione e costruzione dell’apparato e per almeno 10 anni (2009-2020) alla raccolta e all’analisi dei dati sperimentali

La gestione dei dati

I grandi esperimenti di fisica producono una quantità impressionante di dati:

Stima per l’esperimento ALICE: dell’ordine dei Gbytes /s

(circa 1000 elenchi telefonici al secondo)

Per la sola analisi di questi dati serviranno circa 10.000 calcolatori che lavorino senza interruzione 24 h al giorno!

Considerazioni finali

Considerazioni finali

L’indagine del microcosmo è legata strettamente a quella del macrocosmo

Considerazioni finali

L’indagine del microcosmo è legata strettamente a quella del macrocosmo

La categoria dell’imprevisto ha sempre giocato un ruolo essenziale nella comprensione della realtà fisica

Considerazioni finali

L’indagine del microcosmo è legata strettamente a quella del macrocosmo

La categoria dell’imprevisto ha sempre giocato un ruolo essenziale nella comprensione della realtà fisica

Pur nella varietà dei fenomeni, è sempre in atto un tentativo di comprensione unitaria