Che fine ha fatto l'antimateria

Prof. Francesco FortiINFN e Università di [email protected]

Che fine ha fattol’antimateria ?

Fisici in viaggio dalla California al Giappone cercando risposte

Un velo di particelle• 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.

F.Forti - Che fine ha fatto l'antimateria ? 2

Perché ?

Scala dell’universo Di che stoffa siamo fatti ?

Materia e antimateria

Storia dell’universo dal Big Bang


Perché si studia la fisica delle particelle ?

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

Scala dell’universo


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 voto Misto è co' corpi…


Di che stoffa siamo fatti ?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


QUARKS e LEPTONI

Il Modello Standard delle Interazioni Fondamentali

• Quark e leptonio Tre generazioni

• Mediatori delle forzeo Forza Forteo Forza Elettromagneticao Forza Elettrodebole

• Bosone di Higgso Necessario per fornire massa

alle particelle

• Tutte particelle puntiformi con massa molto diversa tra loro

• Legandosi tra loro formano l’universo conosciutomassa crescente

Bosone diHiggs


Storia dell’Universo


Quanto scommettiamo ?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!


Materia e antimateria• Dirac predisse l’esistenza

dell’anti-materiao A partire da un modello matematico

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

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

• Ad ogni particella corrisponde una anti-particellao Stessa massao Carica opposta

Una (quasi) perfetta simmetria tra materia ed antimateria


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-


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”


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 standardo Scoperta da Cronin e Fitch nel 1964 per i mesoni Ko 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


Tre generazioni ?• Per fare il nostro mondo bastano due quark e un

leptoneo uud = protoneo udd = neutroneo elettrone

• Perché ci sono le altre generazioni ?• Da cosa sono determinate le masse ?• Ancora la gravità non è inclusa nel modello

standard: come si può incorporare ?• La maggior parte della materia del cosmo è oscura

e non se ne conosce l’origine. Che cos’è ?


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 ?

• Come si collega alla gravità ?• Di cosa è fatta la materia oscura ?


Che cosa ?

Particelle pesanti Particelle virtuali

Frontiere dell’energia e dell’intensità.

Decadimenti rari e asimmetrie di CP


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 ?


Particelle virtuali• Principio di indeterminazione di Heisenberg

• Non è possibile determinare contemporaneamente

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

• Ma lasciano delle tracce, delle ormeche possono essere misurate.

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Posizione e quantità di moto

Energia (=massa) e tempo


Due corsie• Frontiera dell’energia

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

• Frontiera dell’intensitàAumentare il numero di particelle “ordinarie” prodotte per studiarle così in dettaglio da vedere le tracce della nuova fisica


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


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

terza generazione (Fisica del sapore)o Mesoni K, D, Bo Leptone t

• Decadimenti rari o proibitio 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


Una probabiltà su un miliardo⌧� ! µ��

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


In che modo ?

Acceleratori •Bersaglio fisso•Collisori

I rivelatori


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

Collisori: si accelerano due fasci e si fanno collidere.

e+e� ; pp ; ppF.Forti - Che fine ha fatto l'antimateria ? 24

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


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

Frascati Orsay


Adone a LNF - 1969• Prima macchina

moderna e+e-• Energia

1.5 + 1.5 GeV• Laboratori

Nazionali di Frascati

F.Forti - Che fine ha fatto l'antimateria ? 27Frascati

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 sottola soglia per produrre la J/ψ

F.Forti - Che fine ha fatto l'antimateria ? 28Stanford, California

LEP al Cern - 1989


45+45 GeV à104.5+104.5 GeV

Ginevra, Svizzera

DaΦne a LNF - 1999


0.51 + 0.51 GeV

Frascati

Le due frontiereEnergia Intensità


LHC @ CERN

F.Forti - Che fine ha fatto l'antimateria ? 32Ginevra, Svizzera

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

Large Hadron Collider

Le fabbriche di B• I mesoni B si prestano a molte misure di precisione

o Decadimenti rario Oscillazioni materia anti-materiao Violazione della simmetria CP

• Per produrne una coppia ci vuole 10.58GeV di energiao L’energia dei due fasci può essere diversa

• Due B-Factories sono state costruite in California e in Giapponeo PEP-II con esperimento Babar (1999-2008) – raccolti circa 500M di B-antiBo KEKB con esperimento Belle (1999-2010) – raccolti circa 1000M di B-antiB

Univ. RomaTre, 14 Nov 2012F.Forti - SuperB: una nuova finestra sull'universo a Roma. 33

PEP-II e Babar

F.Forti - Che fine ha fatto l'antimateria ? 34Stanford, California

KEK-B e Belle à Belle-IIU14'$+%4)!_!P`)%+)>*,*4,.1)`*$$*)/)U-545:%

Tsukuba-san

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F.Forti - Che fine ha fatto l'antimateria ? 35Tsukuba, Giappone

Acceleratori nel mondo


SLACKEK

Fisici con la valigia• La risposta alle molte domande richiede

acceleratori e rivelatori molto sofisticati


• Necessarie collaborazioni internazionali di molte centinaia o migliaia di scienziati

• Ci possono essere solo pochi acceleratori nel mondo: si deve quindi andare dove si possono fare gli esperimenti

Rivelatori• Apparati molto

complessi• Tecnologie

avanzate• Grandi

collaborazioni internazionali


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

strati di rivelatore• Il rivelatore è il

risultato di un diffile compromessotra non disturbare le particelle e ottenere un segnaleabbastanza intensoda essere rivelato


Strumenti sofisticati• I rivelatori di particelle fanno usa della tecnologia

più sofisticata a disposizione, spesso sviluppando cose nuove

• Il cuore della cipolla è costituito dai tracciatori a silicio, che raggiungono precisioni incredibili: decine milionesimi di metro in spazio, decine di miliardesimi di secondo in tempo


Babar SVT, 1999

BABAR@SLAC


Misura delle asimmetrie


Asimmetria di CP


Δt

2011: il tracciatore al silicio di Babar va al Museo della Scienza e Tecnica di Milano

• S


Nuove sfide• La nuova sfida dell’intensità è all’acceleratore

SuperKEKB• Esperimento Belle II in fase di costruzione• Inizio della presa dati previsto per fine 2018, per

almeno 5 anni• Scopo di moltiplicare per 50 i dati esistenti• Una grande collaborazione internazionale (600 fisici

da 23 nazioni)


La collaborazione Belle II


600 members, 100 institutions, 23 countries


Belle II @ SuperKEKB

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 rivoluzionescientifica porti effettivamente benefici a tutti, piuttosto che allargare il divario tra ricchi e poveri. … La tecnologia deve essere guidatadall’etica se deve fare qualcosa di più’ checreare nuovi giocattoli per i ricchi.


Freeman Dyson

Raggi X• Tantissime applicazioni dei raggi nella nostra

società


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 positroniSi misurano i fotoni che risultano dalla annichilazione elettrone-positrone


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

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


Angeli e demoni


• Cosa è vero e cosa è invenzione nel romanzo di Dan Brown ?

• Si può immagazzinare l’antimateria ?

• Si può fare una bomba ?• Ci sono ricerche segrete

al CERN ?• Trovate tutti i dettagli sul

sito del CERN.

http://angelsanddemons.web.cern.ch/about/

Ricerca fondamentaleL’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.


L’immaginazione è più importante della conoscenza.

54F.Forti - Che fine ha fatto l'antimateria ?

Materiale aggiuntivo


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


Piccole fluttuazioni crescono

Il cielo visto da Fermi-GlastF.Forti - Che fine ha fatto l'antimateria ? 59

Tutto in un puntoSi 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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