La Fisica delle Particelle Elementari

Prof. Antimo PalanoIstituto Nazionale di Fisica Nucleare

e

Dipartimento di Fisica dell’Universita’ di Bari

Introduzione

La fisica della particelle elementari studia:

La struttura piu’ piccola della materia. La nascita e l’evoluzione dell’universo. La natura delle forze che formano l’universo in

cui viviamo.

I componenti piu’ piccoli della materia Un secolo circa di ricerche

effettuate con le tecniche piu’ varie, ci hanno portato ad avere una conoscenza avanzata della struttura piu’ piccola e a grande scala della materia.

4 forze fondamentali:• Forte, elettromagnetica, debole,

gravitazionale 6 + 6 particelle “puntiformi”

fondamentali:• 6 quarks (u, d, s, c, b, t)• 6 leptoni (e, , e, ) Mediatori delle forze , g,W, Z Higgs?

Le Forze Fondamentali della natura La forza forte: energia

nucleare La forza

elettromagnetica: atomi, molecole

La forza debole: radiattivita’

La forza di gravita’: galassie

Le particelle elementari

Ne esistono centinaia, tutte instabili tranne:

protone, elettrone, neutrino

La struttura piu’ piccola della materia.

La fisica delle particelle studia l’infinitamente piccolo:

Come si studia la struttura dell’universo Strumenti utilizzati per studiare le varie scale della materia:

dall’infinitamente grande all’infinitamente piccolo.

PEP-2 / BABAR - Stanford, CaliforniaCollaborazione:

ca. 550 fisici da 11 Nazioni12 Universita’ Italiane

Canada

China

Germany

France

Great Britain

Italy

Netherlands

Norway

Russia

USA

L’acceleratore di elettroni PEP-II

Energia: 9 GeV e- su 3.1 GeV e+ (massa del protone 1GeV)

Una sezione curva di PEP-II

Acceleratori di particelle.Piu’ alta l’energia degli acceleratori, piu’ si va indietro nel tempo nella vita dell’universo, quando si formarono protoni, nuclei e atomi.

LHC

Gli acceleratori come Large Hadron Collider (LHC) e il futuro Linear Collider (ILC) sono come telescopi che guardano i primi istanti di vita dell’universo

Le grandi domande sull’Universo.

II. Il mondo delle particelle

5. Nuove particelle?

6. Materia scura?

7. Cosa sono I neutrini?

III. La nascita dell’universo

8. Come nacque l’Universo?

9. Dove si trova l’antimateria?

The “Quantum Universe” report gives nine key questions in three major areas.I. Il sogno di Einstein

1. Nuove Leggi della Fisica?

2. Energia scura?

3. Altre dimensioni spaziali?

4. Unificazione delle forze?

L’antimateria

o La stessa massa. o Carica opposta.o Identici dal punto di vista

delle leggi della fisica

Positrone = Anti-elettrone

e e Scoperta nel 1932: L’energia si coverte in materia-antimateria

P.A.M.Dirac: 1928

o Prevista dallo studio della Meccanica Quantistica

Anti-atomo: antiprotone, antineutrone,positrone

L’antimateria.

Quando l’universo nacque con il Big Bang, le leggi della fisica vogliono che si producesse tanta materia quanta antimateria.

Non vi e’ traccia di antimateria nell’universo. Dove e’ andata a finire?

Una possibilita’: materia e antimateria sono leggermente diverse.

1. Start with a few x 107 B0 B0 pairs (more is better)

2. Reconstruct one B in a CP eigenstate decay mode

L’esperimento BaBar.

Uno dei piu’ grandi successi della fisica degli ultimi 10 anni: piu’ di 200 pubblicazioni.Grande contributo Italiano.

Tracciatore di Vertici al Silicio (SVT)

•5 strati di strip di silicio a doppia faccia, ~150 000 canali. Costruito in Italia.•Ansaldo di Genova: il magnete superconduttore•Costruito in Italia il rivelatore di

La scoperta dell’asimmetria materia-La scoperta dell’asimmetria materia-antimateriaantimateria

e+e – (4S)

Btag identificato

BCP analizzato

tag

CP

(4S)e+ e

J = 1 bb

e+

Per poter osservare il fenomeno occorre misurare la differenza in tempo fra le due disintegrazioni. Distanze: 300 m

00 BB

0 0/ SB J K

/J

0SK

Misura della differenza in tempo di disintegrazione fra materia e antimateria Ks modes

Materia e antimateria si comportano in modo diverso!

Altre dimensioni spaziali

La teoria delle stringhe richiede almeno altre 6 dimensioni spaziali. Queste dimensioni sono curvate come spirali in un tubo di diametro piccolissimo.

Queste dimensioni extra potrebero unificare tutte le forze.

L’ unificazione delle forzeAlla scala delle energie che noi vediamo le 4 forze

fondamentali sono distinte.

Alla scala di LHC e ILC le forze Elettromagnetiche e Deboli si unificano.

Potremo quindi avere informazioni sulla grande unificazione

delle forze. go here sense whats happening

here

A che servono 3 neutrini? Esperimenti con neutrini. Si creano neutrini di un

tipo in un acceleratore e si rivelano a grandi distanze dove si trasformano in un’altro tipo.

MINOS

Opera

Il mistero dei neutrini.

Cosa sono materia ed energia scure?

La fisica delle particelle.

Sforzo collettivo di fisici, matematici, chimici, ingegneri meccanici, informatici ecc.

Alle frontiere della conoscenza e della tecnologia.

Collaborazioni internazionali di molti paesi. Vengono creati nuovi strumenti e nuove

tecnologie. Esempio: il World Wide Web e’ stato creato

dai fisici del CERN.

Spazio per fantasia e iniziative individuali. 2003: scoperta a Bari una nuova particella

subnucleare nell’esperimento BaBar.

A cosa serve?

Esempio del premio Nobel L. Lederman: Negli anni 30 i fisici discutevano sulla fisica e

filosofia della Meccanica Quantistica. Nel 1948 furono scoperti i materiali semiconduttori. Anni 60, transistors e poi circuiti integrati. Anni 80, i computers cominciano a diffondersi

in tutto il mondo.

L’impatto sulla societa’ delle nuove scoperte puo’ anche verificarsi dopo 50 anni.