Claudio Luci Sapienza Università di Romae INFN sezione di Roma1

Che cosa è il bosone di Higgs appena scoperto al CERN

Ascoli Piceno 17 novembre 2012 1

L’origine del nome (errato)L’origine del nome (errato)

2

Libro scritto nel 1993, è una sorta di autobiografia di Lederman

Titolo “originale”:

The goddamn particle (La particella dannata).

L’editore lo ha cambiato in:

The God particle.

La ricerca dell’atomo di Democrito Le interazioni fondamentali I raggi cosmici e lo zoo delle particelle elementari quark e leptoni Le teorie di gauge Il Modello Standard ed il meccanismo di Higgs La ricerca del Bosone di Higgs Il CERN, LHC, ATLAS Trovato (?)

IndiceIndice

3

Quali sono i costituenti elementari

della materia?

Quali sono le forze che controllano il

loro comportamento al

livello fondamentale?

4

Di cosa sono fatte le cose: Di cosa sono fatte le cose: dal complesso al semplicedal complesso al semplice

Partendo dagli stessi componenti elementari:

Tutti gli edifici sono fatti di: mattoni, cemento, sabbia, acqua, ferro, legno

mattoni cemento sabbia e acqua ferro legno

Si può avere

Tufo

5

Dal complesso al sempliceDal complesso al semplice E di cosa sono fatti i mattoni, il cemento, la sabbia, l’acqua, il ferro, il legno?

Democrito ipotizzò che il mattone elementare comune a tutte le cose fosse l’atomo (indivisibile).

I filosofi greci (Empedocle) ipotizzarono che tutte le cose fossero formate da quattro elementi: acqua, terra, fuoco e aria.

I “chimici”: scoperta degli atomiI “chimici”: scoperta degli atomi• Boyle(1627-91); Gay-Lussac (1778-1850) : studio delle proprietà dei gas

•Proust (1754-1826): proporzioni costanti

• Lavoisier (1743-94): conservazione della massa

• Dalton(1766-1844): “pesa” gli atomi

• Avogadro(1776-1856): molecole

Dalton, eseguendo degli esperimenti su delle reazioni chimiche, ed utilizzando i risultati precedenti di altri ricercatori, formula la teoria seguente:

La materia è formata da particelle indivisibili e indistruttibili: gli atomi Atomi di elementi diversi sono diversi tra loro e hanno masse diverse I composti sono sostanze pure formate da due o più atomi diversi che si combinano secondo un rapporto definito

Avogadro: le reazioni chimiche avvengono tra molecole e non tra atomi. (La molecola è la più piccola aggregazione di atomi di una stessa sostanza). 7

Mendeleyev (1834-1907)Mendeleyev (1834-1907)

Tutte le sostanze possono essere descritte in termini di diverse composizioni di “soli” 105 atomi.

A intervalli regolari si presentano elementi con proprietà chimiche analoghe8

N.B. NON SONO GLI ATOMI DI DEMOCRITO

``QUESTI `` ATOMI SONO OGGETTI COMPOSTI DA ALTRE PARTICELLE.

LA RICERCA DEGLI ATOMI DI DEMOCRITO CONTINUA

L’atomo di RutherfordL’atomo di Rutherford

elettrone

nucleoIl nucleo è costituito da protoni e neutroni. Essi sono tenuti insieme dalla forza nucleare forte. [Protoni e neutroni sono formati da quark (scoperti negli anni ’60).]

Problema: l’atomo di Rutherford spiega la diffusione delle particelle α, però è instabile. Non può esistere.

Soluzione: meccanica quantistica (1927).

Tutta la massa dell’atomo è concentrata nel nucleo con gli elettroni che ruotano intorno ad esso legati dalla forza elettromagnetica.

Dimensioni dell’atomo ~ 10-10

m

Dimensioni del nucleo ~ 10-14

mGli atomi si distinguono tra loro dal numero di protoni che possiedono

La materia è composta da elettroni, protoni e neutroni

9

E le forze?E le forze?

10

Alcune forzeAlcune forze

11

• forza di gravità• forza di attrito• tensione della corda• reazione vincolare normale

ancora:

• forza elastica (molla)• ``forza’’ adesiva (colla)• forza elettrostatica• forza magnetica (calamita)• …. e molte altre

MA QUANTE SONO?

Newton: prima unificazioneNewton: prima unificazione

12

Forza gravitazionale

1 22

F = G m m

r

F = mg

[ N.B. m è la massa (gravitazionale) di un corpo]

Problema: interazione a distanza

Seconda unificazione: MaxwellSeconda unificazione: Maxwell

13

Predizione delle onde elettromagnetiche, rivelate poi da Hertz

Forza magnetostatica Luce

Equazioni di Maxwell (inserimento della corrente di spostamento)

Forza elettromagnetica

Problema: necessità dell’etere per la propagazione delle onde e.m.

Forza elettrostatica

N.B. tutte le forze di contatto e le reazioni chimiche sono manistazioni delle forza elettromagnetica.

Torniamo al nucleo: forza forteTorniamo al nucleo: forza forte

• Il nucleo deve avere tanti protoni quanti sono gli elettroni

• Il nucleo contiene la massa di tutto l’atomo (mp=1836 • me)

• Rutherford scopre il protone (1919)

NON VA BENE! Il nucleo sarebbe troppo leggero. La massa dei protoni è circa la metà della massa dell’atomo Deve esserci qualcos’altro dentro il nucleo

IPOTESI: particella simile al protone ma senza carica: il neutrone.

1932: scoperta del neutrone (Chadwick).

Il nucleo è composto da protoni e neutroni.DOMANDA: che cosa tiene insieme i protoni dentro il nucleo? La forza elettrostatica respinge i protoni uno dall’altro.

RISPOSTA: forza forte.14

Un’altra forza: forza deboleUn’altra forza: forza debole 1896: scoperta della radioattività naturale

Il decadimento beta trasforma un elemento in un altro

15

I raggi beta sono elettroni(interazione debole)

ν eNC 147

146

I raggi gamma sono fotoni(interazione e.m.)

I raggi alpha sono nuclei di elio(interazione forte)

(in presenza di un campo megnetico)

Decadimento Decadimento β: β: il sogno di Cagliostroil sogno di Cagliostro• Un nucleo si trasforma in un altro emettendo un elettrone (radiazione β)β)

eNC :Ex 147

146

• Problema: non si conserva l’energia, la quantità di moto e il momento angolare. Soluzione: W.Pauli ipotizzò che un’altra particella neutra, senza massa, venisse

emessa insieme con l’elettrone (1930).

ν eNC :Ex 147

146

• E.Fermi: formulò teoria del decadimento ββ e chiamò la nuova particella neutrino.Il fenomeno elementare è il decadimento del neutrone.

ν epn

• La forza responsabile del decadimento è la forza debole. 16

Problema: interazioni a distanzaProblema: interazioni a distanzaSoluzione: avvengono tramite lo scambio di una particella mediatrice

• Le particelle di materia interagiscono a distanza scambiandosi una particella mediatrice della forza

• La teoria (quantistica) che descrive le interazioni tra particelle deve tener conto dello scambio di questa particella.

Interazione elettromagneticaInterazione elettromagnetica

+ -+-p pe + e+

Il mediatore è il fotone (quanto del campo elettromagnetico).

Il fotone ha massa nulla, quindi il raggio di azione della forza e.m. è infinito

N.B. risolto il problema dell’etere. Le onde elettromagnetiche sono costituite da fotoni, i quali possono propagarsi tranquillamente anche nello spazio vuoto (anzi, seguendo Democrito, si propagano SOLTANTO nello spazio vuoto).

Dove eravamo nel Dove eravamo nel ~~1935?1935?• Gli atomi sono formati da tre particelle elementari: elettrone, protone e neutrone.

• Ipotesi del neutrino (rivelato sperimentalmente nel 1954)

• Vi sono 4 forze fondamentali tramite le quali le particelle interagiscono:

- forza forte: agisce sui nucleoni (adroni). Range ~ 10-15

m

- forza e.m.: agisce sulle particelle cariche. Range infinito.

- forza gravitazionale: agisce su tutte le particelle. Range infinito.

- forza debole: agisce su tutte le particelle. Range ~ 10-15

m

• Scoperta del positrone (anti-elettrone) nel 1932, ipotizzato da Dirac nel 1928.

• Scoperta del mesotrone, particella prevista da Yukawa nella teoria della forza forte.

AVEVAMO CAPITO TUTTO (O QUASI!)19

I raggi cosmici I raggi cosmici

• Furono scoperti da V.Hesse nel 1912. Sono costituiti da 86% protoni, 12% α ed il restante 2% da altri nuclei.

• Scoperta del positrone (1932)

• Scoperta del mesotrone (1937) identificato poi da Conversi, Pancini e Piccioni nel 1947 essere in realtà il muone, una replica pesante dell’elettrone e

em210m s102.2τ -6

• Scoperta del π nel 1947, seguita dalla scoperta di particelle “strane”, qualcuna più pesante del protone.

Studiare i raggi cosmici era difficile: esperimenti in alta quota, flusso ed energia non controllati. Si volle riprodurre allora l’interazione primaria in laboratorio accelerando protoni (o elettroni) e facendoli collidere con dei bersagli fissi.

20

Facciamo una pausaFacciamo una pausa

21

I fisici e la montagnaI fisici e la montagna

Edoardo Amaldi a Campo Imperatore (1926)

Amaldi (1927)

Tessera del CAI di Amaldi 22

Amaldi è uno dei ragazzi di Fermi ed è il ``padre’’ del CERN e dell’INFN

I fisici e la montagnaI fisici e la montagna

Assicurato dall’alto dai fratelli Salvadori, Edoardo Amaldi in arrampicata (Dolomiti di Cortina d’Ampezzo, agosto 1927)

Edoardo Amaldi e Enrico Ciaranfi sulla cengia della via Chiaraviglio al Corno Piccolo del Gran Sasso, settembre 1927

Enrico Persico sugli sci. Di lui si diceva scherzo-samente che avesse inventato lo "sci adiabatico", per la lentez-za con cui riusciva a scen-dere da qualunque pendio.23

I fisici e la montagnaI fisici e la montagna

Enrico Fermi fa del "bouldering" sotto lo sguardo critico di Edoardo Amaldi e Enrico Persico. Estate 1938, ultime vacanze in gruppo prima della promulgazione delle leggi razziali, a San Martino di Castrozza

Edoardo Amaldi, Gilberto Bernardini e Ettore Pancini al laboratorio della Testa Grigia, al Plateau Rosa sopra Cervinia.24

Torniamo a lavorareTorniamo a lavorare

25

Come si creano nuove particelleCome si creano nuove particelle

Quando due particelle elementari (elettrone, protone, pione, etc…) urtano tra di loro ed hanno energia sufficiente, possono produrre nuove particelle che prima dell’urto non esistevano.

E = mc2

Esempio: p + n → p + p + π - (il neutrone si trasforma in un protone ed un pione negativo)

N.B. Nell’urto vanno rispettate alcune leggi di conservazione: energia, carica, momento angolare, numero barionico, numero leptonico, parità, etc… 26

Acceleratori: principio di funzionamentoAcceleratori: principio di funzionamento

Campo elettrico: accelera.

Campo magnetico: curva

Unita di misura energia: eV

Bq

vmR

Raggio di ciclotronePrimo ciclotrone costruito da E.Lawrence a Berkeley nel 1930

-Particelle α decadimenti radioattivi: 1÷5 MeV

- 1939: ciclotrone 1.5 m di diametro: 19 MeV.

-Massima energia di un ciclotrone: 25 MeV

- Prossimo passo: sincrotrone 27

E l’uomo creò i raggi cosmiciE l’uomo creò i raggi cosmici• 1952: BNL (Brookhaven National Laboratory, Long Island), COSMOTRONE

forti) iinterazion nelle stranezza della ione(conservaz ΛKpπ

Protoni da 3 GeV. 2000 Ton. di ferro. 20 m di diametro.

Conferma la produzione associata delle particelle strane.

•1954: LBL (Lawrence-Berkeley Laboratory, California), BEVATRONE

Protoni da 6 GeV. 10000 Ton. di ferro.

E. Segrè scopre l’antiprotone (premio Nobel nel 1959).

barionico) numero del ione(conservaz pppppp

• 1957: Dubna, SINCROFASATRONONE. 10 GeV, 36000 Ton. di ferro!

Per andare ad energie più alte occorreva un’idea per ridurre la quantità di ferro dei magneti. Livingston inventa il focheggiamento forte (1952).

28

Il CERN entra in giocoIl CERN entra in gioco

• 1959: CERN, ProtoSincrotrone PS, 24 GeV, 3200 Ton., diametro 200 m

• 1960: BNL, AGS, 33 GeV, 4000 Ton., diametro 257 m

Inizia il “boom economico” anche per la fisica delle particelle. Dapprima nei raggi cosmici, e poi con i nuovi acceleratori, vengono scoperte molte nuove particelle, troppe. C’è molto lavoro anche per i fisici teorici.

E.Fermi ad un suo studente (L.Lederman): “ragazzo, se fossi in grado di ricordare il nome di tutte queste particelle, sarei diventato un botanico”.

La prima risonanza scoperta da Fermi nel 1953 a Chicago, la Δ, suggerisce che il protone potrebbe non essere una particella fondamentale

29

Il CERN è il laboratorio europeo per la fisica delle particelle fondato nel 1954, vicino Ginevra, grazie anche ad Edoardo Amaldi.

E vennero ...E vennero ... i quark i quark!!• Per mettere ordine nello zoo di particelle, Gell-Mann e Neeman, proposero uno schema di classificazione basato su delle simmetrie (SU(3)), che chiamarono : “la via dell’ottetto”.

• La via dell’ottetto prevedeva una nuova particella (1962), Ω-, scoperta nel 1964.

• Per spiegare la simmetria, Gell-Mann e Zweig, ipotizzarono che le particelle soggette all’interazione forte fossero composte da particelle elementari. Gell-Mann chiamò le nuove particelle: “quark”.

“Three quarks for Muster Mark” – James Joice’s Finnegans Wake

quark carica stranezza

up +2/3 e 0

down -1/3 e 0

strange -1/3 e -1

I quark sono oggetti molto bizzarri con carica frazionaria. C’era molta riluttanza nell’accettarli.

Barioni: 3 quark Mesoni: un quark ed un antiquark

n

p30

Gli atomi di DemocritoGli atomi di Democrito

(Visto!)

31

Torniamo alla TeoriaTorniamo alla Teoria

32

Cosa deve fare la ``teoria’’?Cosa deve fare la ``teoria’’? deve calcolare sezioni d’urto, cioè la probabilità che in un

urto tra due particelle si abbia un dato stato finale

deve calcolare larghezze parziali, cioè la probabilità che una particella decada in un dato stato finale.

33

esempio: e e

e se Zmpio:

Dato che al massimo la probabilità può essere uno (certezza assoluta), se un calcolo da come risultato della probabilità un numero maggiore di uno, vuol dire che la teoria è sbagliata (violazione dell’unitarietà)

N.B. se le predizioni teoriche non sono in accordo con le misure sperimentali, la teoria non è corretta.

Invarianza di gaugeInvarianza di gauge In m.q. lo stato di un sistema è descritto da una funzione d’onda:

il modulo quadro della funzione d’onda esprime la probabilità di trovare il sistema in un certo stato

La probabilità non cambia se moltiplico la funzione d’onda per un ``fattore di fase `` (invarianza di gauge)

Quando si ``costruisce’’ una nuova teoria, occorre rispettare l’invarianza di gauge (e di tutte le altre simmetrie della natura).

34

( ) '( ) =e ( )iQx x x

( , )x t

2' | ( , ) |probabilita x t

Elettrodinamica quantistica (QED)Elettrodinamica quantistica (QED) Nel 1947 Feynman, Schwinger e Tomonaga risolvono il

problema degli infiniti nella QED. Si dice che la teoria diventa rinormalizzabile.

La teoria deve essere invariante per una trasformazione di gauge locale. Per fare ciò si deve introdurre una derivata covariante ed un bosone di gauge (il fotone), che diventa il mediatore dell’interazione elettromagnetica.

L’interazione tra il fotone e l’elettrone viene incorporata nella teoria in maniera automatica.

35

Si cerca di applicare la stessa tecnica dell’invarianza di gauge alle interazioni forti e alle interazioni deboli, ma con maggiore difficoltà

Unificazione elettrodeboleUnificazione elettrodebole La teoria di Fermi delle interazioni deboli va bene a basse

energie, ma ad alte energie ``diverge’’.

Per risolvere il problema si cercò di unificare le interazioni deboli con la forza elettromagnetica.

Nel 1961 Glashow, nella sua tesi di dottorato, propose un modello basato sulla simmetria di gauge locale:

Il modello prevede l’esistenza di 4 bosoni di gauge:W+, W- e Z per le interazioni deboli ed il fotone per l’interazione elettromagnetica. Benissimo.

36

(2) (1)L YSU U

E invece malissimo.

Il modello funziona solo se tutte le particelle, fermioni e bosoni di gauge, hanno massa nulla, altrimenti si rompe la simmetria di gauge.

Non si riesce a trovare il modo di Non si riesce a trovare il modo di dare massa alle particelle senza dare massa alle particelle senza

violare la simmetria di gaugeviolare la simmetria di gauge

37

Meccanismo di HiggsMeccanismo di Higgs Finché nel 1964 arrivano i nostri:

Brout-Englert, Higgs e Guralnik-Hagen-Kibble

Pubblicano dei lavori sulla rottura spontanea di una simmetria continua, invariante per una trasformazione di gauge locale (teorema di Goldstone più bosoni di gauge)

38

2 2 41 1 1

2 2 4L 1 2( , )V

1

2

La Lagrangiana è simmetrica, ma la scelta di un qualsiasi stato fondamentale rompe la simmetria.

N.B. Dalla Lagrangiana si ricavano le equazioni del moto

Arriva Weinberg: il Modello Standard Arriva Weinberg: il Modello Standard Nel 1967 Weinberg applica il meccanismo di Higgs alla

teoria elettrodebole di Glashow e … … avviene il miracolo. I fermioni (cioè i costituenti della

materia) ed i bosoni di gauge (cioè i mediatori delle intera-zioni deboli più il fotone) acquistano massa (il fotone rimane senza massa) e la teoria non rompe l’invarianza di gauge.

Però … rimane un problema. L’applicazione di questo meccanismo prevede l’esistenza di una particella neutra a spin 0, la cui massa non è prevista:

il bosone di Higgs

39

Inizia la caccia ai bosoni W, Z e H

Lagrangiana elettrodebole invariante per trasformazione di gauge:

Aggiungiamo alla Lagrangiana quattro campi scalari reali φi per dare massa ai bosoni di gauge tramite il meccanismo della rottura spontanea della simmetria.

Aggiungiamo alla Lagrangiana un’interazione tra i fermioni ed il campo φ per dare massa ai fermioni:

40

Lagrangiana elettrodebole completa

' '( )

2 2( , )freL R R eL

g gi gI W x Y B i Y B W BLL

22D DL

e R Rg L e e L L + herm. con. d q R u q Rg L d g L uL

Che cosa è questo campo φ? BOH!

Il Nobel di RubbiaIl Nobel di Rubbia• Nel 1976 entrò in funzione al CERN l’SPS, un acceleratore di protoni da

400 GeV, 2 km di diametro. L’energia non era però sufficiente per produrre W e Z, la cui massa stimata era di 80÷90 GeV.

• L’idea di Rubbia fu di trasformare l’SPS in un Collisore protone-antiprotone, seguendo quanto era stato fatto a Frascati con Adone, il collisore

e+e- dove particella e antiparticella girano nello stesso anello in senso contrario.

• Il problema era avere un numero sufficiente di antiprotoni idonei da far colliderecon i protoni (risolto da S.van der Meer con il raffreddamento stocastico).

• Nel 1978 parte il progetto SppS (270 + 270 GeV).-

• Nel 1983 furono prodotti i primi W e Z rivelati nei detector UA1 (Rubbia) e UA2.

1984: premio Nobel a Rubbia e van der Meer

LHCLHC• Le ricerche di Lep, un collider e+e- , concluse nel 2000, hanno messo un limite inferiore alla massa del bosone di Higgs (114 GeV).

• Nel dicembre 1994 il CERN approva ufficialmente la costruzione di LHC (Large Hadron Collider). Si tratta di un collisore protone-protone con magneti superconduttori di 8 T, da istallare nel tunnel del LEP.

• Obiettivo principale di LHC: scoperta del bosone di Higgs.

• LHC è entrato in funzione a dicembre 2009. Nel 2010 e 2011 ha funzionato con un’energia del centro di massa di 7 TeV (quella di progetto è di 14 TeV).

• I fasci di protoni si incrociano con una frequenza di 40 MHz (ogni 25 ns).

• Sul collisore vi sono due esperimenti principali (ATLAS e CMS), più due esperimenti ``specializzati’’ (LHCb e ALICE) ed altri due ``piccoli’’ esperimenti (TOTEM e LHCf).

• LHC è stata una sfida tecnologica a tutti i livelli, pari al progetto Manhattan o allo sbarco sulla Luna, ma con mezzi e organizzazione completamente diversi.

42

LHC: vista aereaLHC: vista aerea

9 km

LHCSPS

Lake of Geneva

Jura

Francia Svizzera

CERN

aereoporto

Alice

ATLAS

CMS

LHCb

I dipoli di LHCI dipoli di LHC

Le bobine superconduttrici sono raffreddate a 1.9 K (la radiazione di fondo cosmica è a 2.7 K).

LHC è il punto più freddo dell’universo.

1233 dipoli principali 14.3 m di lunghezza ognuno 8.33 Tesla (max nel ferro 2 T) 11.7 kA (bobina superconduttrice)

44

Dipoli di LHC nel tunnelDipoli di LHC nel tunnel

45

ATLASATLAS

25 m

46 m

Nell’esperimento ATLAS lavorano circa 3500 fisici di tutto il mondo.

Precisione meccanica nella costruzione e allineamento delle camere a muoni: 20 μm!

46

ATLAS: fotomontaggioATLAS: fotomontaggio

47

Bosone di Higgs: trovato?Bosone di Higgs: trovato?

48

Ad una massa di 125 GeV c’è un eccesso di eventi spiegabili con la creazione di una nuova particella, forse il bosone di Higgs.

Il bosone di Higgs spiegato da D. Miller Il bosone di Higgs spiegato da D. Miller Per questa spiegazione Miller ha vinto una bottiglia di

champagne offerta da Lord Waldegrave (ministro della Scienza Britannico nel 1993).

Una celebrità entra in una stanza e tutti gli vanno intorno per parlargli, in modo tale che lui ha difficoltà a muoversi (acquista massa)

49

Campo di Higgs

Il bosone di Higgs spiegato da D. Miller Il bosone di Higgs spiegato da D. Miller A volte nella stanza (campo di Higgs) non entra nessuno, ma

si diffonde un pettegolezzo

Un pò di gente può raggrupparsi per discutere del pettegolezzo. Questo è l’equivalente del bosone di Higgs che acquista massa grazie allo stesso meccanismo.

50

Bosone di Higgs

ConclusioniConclusioni• I costituenti fondamentali della materia sono i leptoni e i quark!

• Le interazioni fondamentali sono 4: forte, e.m., debole e gravitazionale.L’interazione e.m e l’interazione debole sono “descritte” dalla medesima teoria, il Modello Standard (le interazioni forti sono descritte dalla QCD).

• Altre domande ancora senza risposte, ad esempio:

- l’uguaglianza della carica elettrica del protone e dell’elettrone,

- perché esistono tre famiglie di particelle

- perché vi è una netta separazione tra “fermioni” e “bosoni”

- dove è finita l’antimateria

Abbiamo (forse) trovato il bosone di Higgs, quindi il meccanismo di Higgs è corretto. (Servono più dati per misurare le proprietà della nuova particella)

Non sappiamo ancora cosa sia questo campo di Higgs che permea tutto l’universo. Abbiamo un altro etere?

51

GRAZIE A TUTTIGRAZIE A TUTTI

52

… … e spero di non avervi annoiato troppoe spero di non avervi annoiato troppo