Paolo Gambino 3/3/2008 1

Perché LHC?Perché LHC?Breve viaggio nella fisica delle Breve viaggio nella fisica delle

particelleparticelle

Paolo Gambino Università di Torino

Paolo Gambino 3/3/2008 2

Piccolo prologo Piccolo prologo riduzionistariduzionista

Esistono leggi fisiche più fondamentali di altre?

Certo! I fenomeni naturali possono essere spiegati almeno in principio da una catena di spiegazioni causali

Alla cui base sono una serie di leggi fondamentali: Newton spiega Keplero, la MQ spiega le proprietà atomiche e

molecolari, anche se non sappiamo predire quelle del DNA

Nella storia della fisica ciò che è fondamentale abbraccia un arco sempre più ampio di fenomeni

unificandoli

E’ sorprendente (per me) ma funziona!

Paolo Gambino 3/3/2008 3

L’unificazione dei fenomeni fisici

Primo es: Newton che con la sua teoria gravitazionale unifica (descrive con le stesse leggi) fenomeni terrestri e celesti

Paolo Gambino 3/3/2008 4

Ricerca di semplicità e costituenti elementariRicerca di semplicità e costituenti elementari

Oggi la fisica delle particelle può fornire la chiave per chiarire alcuni aspetti delle leggi fondamentali

Paolo Gambino 3/3/2008 5

Le interazioni Le interazioni fondamentalifondamentali

Le particelle di materia interagiscono tra loro scambiandosi bosonila forza può essere attrattiva o repulsiva

Paolo Gambino 3/3/2008 6

Le 4 interazioni Le 4 interazioni fondamentalifondamentali

elettromagnetiche

deboli forti gravitazionali

Forza elettromagnetica• tiene insieme atomi e molecole• spiega tutti i fenomeni em & ottici• raggio d’azione infinito• schermata a grandi distanze• mediata dal fotone

QuickTime™ and a decompressor

are needed to see this picture.

Paolo Gambino 3/3/2008 7

Le equazioni di Maxwell (1864)

Unificando elettricità e magnetismo, Maxwell spiega la natura della luce:l’ottica diventa una branca dell’elettromagnetismo

Con le sue eq. inizia l’abbandono del meccanicismo in fisica

F=4/c J

F=0

Paolo Gambino 3/3/2008 8

Le interazioni Le interazioni debolideboli

Decadimenti β Decadimento del muone

All’origine di radioattività naturale, sono deboli solo a bassa energiamediate da W e Z, raggio d’azione molto piccolo: il W e lo Z hannomassa pari a 80 e 90 masse del protone. Distinguono tra particelle

destrorse e sinistrorse (violano la parità)

Paolo Gambino 3/3/2008 9

Le 4 interazioni Le 4 interazioni fondamentalifondamentali

elettromagnetiche

deboli forti gravitazionali

elettrodeboliMODELLO

STANDARD

Non c’è ad oggi evidenza di una struttura dell’elettrone e dei quark

Tengono insieme i nuclei atomiciconfinano i quark nei protoni e neutronisono mediate da gluonisi indeboliscono a piccole distanze

Paolo Gambino 3/3/2008 10

Le 4 interazioni fondamentali

elettromagnetiche

deboli forti gravitazionali

Relatività generaleEinstein 1916

Non esiste una teoria quantistica consistente

della gravitazione

Sono molto molto più deboli delle altre interazioni

Paolo Gambino 3/3/2008 11

Le 4 interazioni Le 4 interazioni fondamentalifondamentali

elettromagnetiche

deboli forti gravitazionali

elettrodeboliMODELLO

STANDARD

GUTs?

Stringhe?

tutte le interazioni dettate da un principio di simmetria(simmetria di gauge)

E’ possibile unificare tutte le forze utilizzando simmetrie più ampie?

Paolo Gambino 3/3/2008 12

SimmetrieSimmetrieIn fisica parliamo di simmetria quando un sistema è invariante

rispetto a una certa trasformazione (per es di coordinate)Le simmetrie possono essere discrete

oppure continue

A ogni simmetria continua corrisponde la conservazione di una grandezza fisica. Le simmetrie dello spazio tempo determinano le costanti

del moto: inv. per traslazioni conservazione del momento

Paolo Gambino 3/3/2008 13

La simmetria detta la La simmetria detta la dinamicadinamicaE’ inevitabile che le leggi fisiche soddisfino certe simmetrie

(inv per traslazioni, rotazioni…) Ma oggi pensiamo che la simmetria determini la forma delle leggi fondamentali della fisica

Un procedimento simile sta alla base della relatività generale (1916):postula l’invarianza delle leggi di natura per cambiamenti locali di

coordinate spazio-temporali (principio di equivalenza)

Il modello standard è una teoria di gauge locale in cui l’invarianza èrispetto a rotazioni locali generalizzate in uno spazio interno

In teoria relativistica dei campi l’invarianza per un cambio di fasecorrisponde alla conservazione della carica elettrica

(x) e i(x )(x)

(x) e i(x) GLOBALE Conservazione carica

LOCALE elettromagnetismo

La richiesta di invarianza per cambiamenti locali di faseimpone l’accoppiamento con il campo elettromagnetico

Paolo Gambino 3/3/2008 14

Materia e quanti Materia e quanti d’interazioned’interazione

Elettromagnetica

debole

forte

gravitazionale

FE

RM

ION

I spin

1/2B

OS

ON

I sp

in 1

o 2

doppietti elettrodeboli: le due particelle sinistrorse sono manifestazioni diverse di una stessa particella

L L L

Paolo Gambino 3/3/2008 15

3 generazioni:3 generazioni: lo zoo delle particelle ridotto a mattoni lo zoo delle particelle ridotto a mattoni

fondamentalifondamentali

A prima vista solo la prima famiglia entra nella vita di tutti i giorni

Raggi cosmici

Per osservare i mattoni più pesanti sono necessari gli acceleratori

Paolo Gambino 3/3/2008 16

Due strade complementari per osservare gli effetti di nuove

particelle

Produzione diretta Ricerca indiretta

Gli effetti virtuali (loops) di particellepesanti sono soppressi ma possonoessere misurati

Storicamente segnali indiretti hannosovente anticipato scoperte dirette(charm, top...)

top

Higgs

Paolo Gambino 3/3/2008 17

Ricerche indirette di nuoveparticelle sono come le ricerche indirette di buchi neri attraverso i loro effetti gravitazionali sul motodelle galassie

richiedono misure molto precisee calcoli altrettanto precisi

Paolo Gambino 3/3/2008 18

La produzione di particelle pesantirichiede acceleratori sempre più potenti

Paolo Gambino 3/3/2008 19

LEP e LHC al CERN di Ginevra LEP e LHC al CERN di Ginevra

Paolo Gambino 3/3/2008 20

QuickTime™ and a decompressor

are needed to see this picture.

QuickTime™ and a decompressor

are needed to see this picture.

QuickTime™ and a decompressor

are needed to see this picture.

QuickTime™ and a decompressor

are needed to see this picture.

ATLAS CMS

ALICELHCb

LHC Experiments

Paolo Gambino 3/3/2008 21

La lezione di La lezione di LEPLEP

LEP non ha scoperto nuove particelle ma ha confermato leinterazioni di gauge del MS con una precisione del 0.1%

Oggi crediamo che la simmetriadi gauge sia corretta e abbia unsignificato profondo nonostantesia incompatibile con le masse

Paolo Gambino 3/3/2008 22

La simmetria nascostaLa simmetria nascostaIl MS unifica interazioni deboli & elettromagnetiche,

sebbene esse abbiano raggio d’azione molto diverso...

La simmetria che le unifica è nascosta!

In natura è piuttosto comune che lo stato a più bassa energia non sia quello simmetrico: es. ferromagnete sotto la temperatura di Curie, l’orbita della terra non è simmetrica…

Paolo Gambino 3/3/2008 23

Rottura Rottura spontaneaspontanea di di simmetriasimmetria

Lo stato di minima energia (il vuoto) non è simmetrico:

la simmetria è nascosta

Paolo Gambino 3/3/2008 24

Solo ad alte energie la simmetria nascosta diventa evidente

Paolo Gambino 3/3/2008 25

Il mistero dell’Higgs Il mistero dell’Higgs

m≠0 <0|X|0>≠0

Il vuoto deve perciò avere certe proprietà

Deve esistere un qualcosa X che rompe la simmetria del vuotoe interagendo con le particelle dà loro massa

Può essere un nuovo campo elementare (BOSONE di HIGGS)o la manifestazione di una nuova interazione (technicolor)

Abbiamo indicazioni a favore del bosone di Higgs. La massa dell’Higgs è l’ultimo parametro sconosciuto del MS,

deve essere <600GeV

Il meccanismo di rottura della simmetria elettrodebole è il problema centrale della fisica delle particelle attuale

Paolo Gambino 3/3/2008 26

Che cosa sappiamo Che cosa sappiamo dell’Higgs?dell’Higgs?

Ricerche dirette a LEP: MH>114.4 GeV

QuickTime™ and a decompressor

are needed to see this picture.

Paolo Gambino 3/3/2008 27

Che cosa sappiamo Che cosa sappiamo dell’Higgs dell’Higgs (II)(II)

Determinazione indiretta: netta preferenza per un Higgs leggero sotto i 150GeV.

FIT alle osservabili elettrodeboliassumendo la validità del MS

C’è qualcosa che non torna Un segnale di fisica oltre il MS?

Paolo Gambino 3/3/2008 28

Se c’è, l’Higgs verrà Se c’è, l’Higgs verrà scopertoscoperto

Paolo Gambino 3/3/2008 29

Perché non crediamo nel MSPerché non crediamo nel MS

troppi parametri, 3 repliche senza spiegazione incompleto: e la gravità? Perché è così debole? non prevede masse per i neutrini, non ne spiega la

piccolezza non spiega la materia oscura osservata, nè la bariogenesi

Materia oscura Materia non oscura

Trovare l’Higgs è parte di un progetto più ambizioso: capire l’origine della rottura di simmetria

che genera le masse e la natura della scala elettrodebole Il MS ha passato molti test, eppure anche se l’Higgs venisse trovato

Paolo Gambino 3/3/2008 30

La scommessa di LHCLa scommessa di LHCIl MS deve avere un completamento che ancora non conosciamo. Ma è una teoria protetta da effetti di scale alte (renormalizzabile).

L’estrapolazione del MS ad alte energie è problematica: la gerarchia (18 ordini di grandezza) tra scale di Fermi e di Planck è instabile proprio a causa dell’Higgs.La densità di materia oscura suggerisce novità a scale vicine

Ci aspettiamo Nuova Fisica sotto il TeV!

Per esempio supersimmetria…

…o delle dimensioni nascoste…

Paolo Gambino 3/3/2008 31

Il futuro è Il futuro è supersimmetrico?supersimmetrico?

La supersimmetria è un’idea bellissima: simmetria tra particelle con spin diverso bosoni fermioni

QuickTime™ and a decompressor

are needed to see this picture.

Produzione di gluini e squark

a LHCRisolve alcuni problemi del MS,

ma è rotta! E come?

Ha un settore di Higgs esteso e uno spettro ricchissimo

Se esiste verrà esplorata

In dettaglio a LHC

Paolo Gambino 3/3/2008 32

The way to the future

Paolo Gambino 3/3/2008 33

Paolo Gambino 3/3/2008 34

I Nobel del Modello StandardNobel 1979 GLASHOW, SALAM and WEINBERG

teoria unificata delle forze elettrodeboli e magnetiche

Nobel 1984 RUBBIA and VAN DER MEER

scoperta dei bosoni W e Z, che comunicano le interazioni deboli

Nobel 1999 T’HOOFT e VELTMAN rinormalizzabilità del MS

Nobel 2004 GROSS, POLITZER, WILZCEK teoria interazioni forti

Paolo Gambino 3/3/2008 35

LHC: il punto di svoltaLHC: il punto di svolta

Il Modello Standard funziona benissimo, molto meglio di quanto ci si aspettasse.

LHC, scoprendo l’Higgs o ciò che lo simula, permetterà di incominciare a capire come completarlo