Grandi scopertedella Fisica

delle Particelle Elementari

Andrea VenturaAndrea VenturaUniversità del Salento & INFN LecceUniversità del Salento & INFN Lecce

1 marzo 20131 marzo 2013

Gallipoli, 1 marzo 2013 A. Ventura 2

Modello planetario dell’atomo• 1911 E. Rutherford bombardò una sottile lamina

di oro con particelle positive , costituite da atomi di elio privati dei due elettroni. Tali raggi attraversavano la lamina senza quasi mai esserne disturbati, salvo un ~1 % che veniva deviato, anche in modo notevole o addirittura, completamente respinto

• Rutherford propose un modello di atomoatomo con quasi tutta la massa concentrata in un nucleonucleo molto piccolo carico positivamente e gli elettronielettroni che vi ruotano attorno

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Modello atomico di Bohr• Il modello di Rutherford non spiegava lo

spettro di emissione e di assorbimento dell’idrogeno e la sua stabilità: gli elettroni, ruotando su orbite, dovrebbero emettere onde elettromagnetiche e, perdendo energia, ricadere sul nucleo

• 1913 N. Bohr postulò che gli elettroni viaggiassero su orbite stazionarie cedendo/assorbendo energia quando saltano da un’orbita all’altra

• 1919 A. Sommerfeld perfezionò il modello di Bohr per spiegare gli spettri osservati per atomi più complessi.Nasceva così la Fisica quantisticaFisica quantistica

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Scoperta del neutrone

• 1930 W. Bothe e H. Becker bombardarono berillio con particelle molto energetiche, producendo radiazione neutra e assai penetrante. Be + He C + n

• Due anni dopo F. Joliot e I. Curie scoprirono che particelle neutre possono espellere protoni dalla paraffina.

• 1932 J. Chadwick identificò tali particelle come simili ai protoni, ma senza carica: i neutronineutroni

• I nuclei atomici sono formati da “nucleoni” (protoni e neutroni) in numero simile.

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Scoperta dell’antimateria

• 1931 A conferma della teoria di P. A. M. Dirac che prevedeva stati a energie negative (1928), dallo studio dei raggi cosmici, C. D. Anderson scoprì il positronepositrone, l’antiparticella dell’elettrone

• Quando una particella e un’ antiparticella interagiscono, si annichilano producendo energia

E = 2mE = 2meecc22

e+ e –

e+e–

• Avviene anche il contrario: un fotone produce una coppia e+e–

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L’ipotesi del neutrino e il muone

• Il neutrone è instabile e si disintegra secondo il cosiddetto decadimento . Ma energia e momento non si conservano: servirebbe una particella senza massa né carica che giustifichi tale bilancio energetico.

• 1934 E. Fermi e W. Pauli ipotizzarono l’esistenza del neutrino neutrino (ma per molti anni non vi fu evidenza sperimentale…).

n p + e– +

• 1936 Dallo studio delle interazioni dei raggi cosmici Anderson scoprì una particella non presente in atomi ordinari: il muonemuone , con massa 207 volte maggiore dell’elettrone. I. I. Rabi commentò “Who ordered that?”

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Scoperta del pione• Il muone fu ritenuto per oltre 10 anni il mediatore

delle interazioni nucleari previsto da H. Yukawa già nel 1935. Tuttavia la sua vita media (~2·10-6 s) è >> del atteso per le forze nucleari (~10-23 s).

• 1947 In emulsioni nucleari esposte ad alta quota C. Powell osservò eventi con pionipioni + + + Mentre il – è assai penetrante, il – si fa catturare dal nucleo, come previsto da Yukawa.

• 1956 Scoperto anche il pione neutro 0, J. Steinberger et al., che tipicamente decade in 0

m(+) = 139.57 MeV/c2

m(0) = 134.98 MeV/c2

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Le particelle “strane”• Negli anni 1950 dalle interazioni dei raggi cosmici

in camere a nebbia immerse in campi magnetici si iniziarono a osservare particelle “stranestrane”: hanno sezioni d’urto tipiche di interazioni forti ma decadimenti in pioni con vite medie tipiche di interazioni deboli. Osservazioni di “eventi V”.

• Tali particelle furono chiamate mesoni K, e si dovette introdurre un nuovo numero quantico denominato “stranezza” S.

BevatronBevatron (LBL) (LBL)protoni su bersaglio fissoprotoni su bersaglio fisso

• Intanto la tecnologia necessaria per costruire acceleratori di particelle in

laboratori avanzava rapidamente. Si poterono così studiare le particelle

elementari in maniera sistematica!

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Acceleratori: principi di funzionamento

Campo elettrico: accelera

Campo magnetico: curva

Bq

vmR

Raggio di ciclotrone

Il primo ciclotrone fu 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

• Passo successivo: sincrotrone

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I primi grandi acceleratori

• 1952 BNL (Brookhaven National Laboratory): COSMOTRONE protoni da 3 GeV, 2000 ton di Fe, 20 m di diametro Conferma la produzione associata di particelle strane:

+ p K +

• 1954 LBL (Lawrence-Berkeley Laboratory): BEVATRONE protoni da 6 GeV, 10000 ton di Fe.

1955 E. Segrè e O. Chamberlain scoprono l’antiprotone in p p p p p p

• 1957 Dubna: SINCROFASATRONONE protoni da 10 GeV, 36000 ton di Fe

• Negli anni 1950 USA e URSS si rincorrevano nella sfida alle energie più alte, e l’Europa…?

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La nascita del CERN• La seconda guerra mondiale aveva mandato l’Europa in

rovina e disperso in USA i migliori fisici europei

• 1950 L’UNESCO approvò una risoluzione cui, due anni dopo, 11 paesi europei presero parte fondando il CERN (Consiglio Europeo per la Ricerca Nucleare)

• 1954 Nacque il CERN, tuttora il laboratorio di particelle elementari più grande del mondo.Sito scelto fu Meyrin, un piccolo paese vicino Ginevra

• 1959 ProtoSincrotrone, 24 GeV, 3200 ton, diametro 200 m

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Premi Nobel che hanno fatto grande la Fisica delle Particelle

• 1906 J. J. Thomson• 1921 A. Einstein• 1922 N. Bohr• 1927 A. Compton, C. Wilson• 1932 W. Heisenberg• 1933 P. Dirac, E. Schrodinger• 1935 J. Chadwick• 1936 C. Anderson, V. Hess• 1938 E. Fermi• 1939 E. Lawrence• 1945 W. Pauli• 1949 H. Yukawa• 1950 C. Powell• 1954 M. Born, W. Bothe• 1957 T. Lee, C. Yang

• 1959 O. Chamberlain, E. Segrè• 1965 R. Feynman, J. Schwinger,

S. Tomonaga• 1969 M. Gell-Mann• 1976 B. Richter, S. Ting• 1979 S. Glashow, A. Salam,

S. Weinberg• 1980 J. Cronin, V. Fitch• 1984 S. van der Meer, C. Rubbia• 1988 L. Lederman, M. Schwartz,

J. Steinberger• 1992 J. Charpak• 1995 M. Perl, F. Reines• 1999 G. ‘t Hooft, M. Veltman• 2004 D. Gross, D. Politzer, F. Wilczek• 2008 Y. Nambu, M. Kobayashi,

T. Maskawa

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Il quadro è completo! (o quasi…)

• La descrizione dei costituenti della materia (quarkquark e leptonileptoni) è al completo!

• Dopo la soperta del 4 luglio 2012 abbiamo forse trovato il bosone di Higgsbosone di Higgs, responsabile del meccanismo di attribuzione di massa di tutte le particelle

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Oltre il Modello Standard• I fisici negli ultimi decenni hanno formulato vari modelli teorici

per provare a rispondere alle questioni irrisolte, tra i quali…• La SupersimmetriaSupersimmetria (SUSYSUSY), una tra le più accreditate• Nuovi bosoni vettori massivibosoni vettori massivi (WW/ ZZ)

qq

qq

ZZ′′

X

X

X

Y

Y

Y

• Particelle esotiche long-livedesotiche long-lived (HV, etc…)

• I micro-buchi nerimicro-buchi neri

Graviton (G)p

p

• Le Extra-DimensionsExtra-Dimensions

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La sfida di LHC• Il Large Hadron ColliderLarge Hadron Collider (LHC) al CERN si propone di

scoprire Nuova Fisica esplorando nuove regioni di energia• La sua costruzione è iniziata subito dopo LEP (2000)• Si faranno collidere protoni a 40 MHz

a energie senza precedenti: 7+7 TeV7+7 TeV sette volte maggiore che al TeVatron!!!

• Luminosità di progetto 1034 cm-2s-1

• Oltre 1600 magneti superconduttori tenuti a T=1.9K da He superfluido

• Una sfida tecnologica a tutti i livelli• Dopo quasi un decennio nel 2009 ci sono state le prime

collisioni, lo scorso anno sono stati raccolti 50 pb-1 di dati: ora si continua a prendere dati per cercare le risposte alle importanti domande rimaste aperte

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Acceleratori e loro energie oggi• LHC coi suoi attuali 7 TeV7 TeV supera le energie mai raggiunte

finora in tutti i maggiori centri con acceleratori di particelle:

– Lo stesso CERN, posto sul confine franco-svizzero vicino a Ginevra. Qui fu installato il LEP, collider e+e– a 200 GeV.

– Il DESY, ad Amburgo in Germania, ha ospitato l'HERA, che collideva elettroni o positroni con protoni a 300 GeV.

– Lo SLAC, a Stanford in California (USA), che col suo SLC è arrivato a far collidere elettroni e positroni fino a 100 GeV.

– Il Fermilab, a Chicago in Illinois (USA), con il Tevatron, che collide protoni ed antiprotoni a 2 TeV.

– Il Brookhaven National Laboratory, di Long Island (USA), dove si trova il RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider), che collide ioni pesanti (come gli ioni d'oro) con dei protoni da 100 GeV.

– I Laboratori Nazionali di Frascati dell'INFN in Italia, dove ha sede DAΦNE, per la collisione di elettroni e positroni a 1.02 GeV.

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Gli esperimenti all’LHC

ATLASATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)

25 m

46 m

CMSCMS (Compact

Muon Solenoid)

• Gli esperimenti general-purpose di LHC sono:

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Uno sguardo ad ATLAS

Bobine dei Bobine dei toroidi del toroidi del

cilindro centralecilindro centrale

Camere per Camere per rivelare muonirivelare muoniCalorimetro in Calorimetro in

avantiavanti

Tracciatore Tracciatore internointerno

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Uno sguardo ad ATLAS

10 Settembre 200810 Settembre 2008Primi fasci in ATLASPrimi fasci in ATLAS

Event Display nella sala Event Display nella sala di controllo di ATLASdi controllo di ATLAS

Evidenza del bosone di Higgs!

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L’avventura continua!• La Fisica delle Particelle Elementari ha compiuto passi

da gigante nell’ultimo secolo: non più l’ingegno di pochi per esperimenti di breve durata, ma la collaborazione di tante persone per progetti lunghi anche molti anni.

• I numeri dell’esperimento ATLASATLAS:– Progettato nel 19921992– Oltre 30003000 tra fisici, ingegneri e tecnici– 170170 università e laboratori di 3838 nazioni– 3000 km di cavi, 101088 canali elettronici– Misure di precisione fino a ~~10 10 mm– Acquisiti O(10O(101616) bytes) bytes di dati all’anno– Temperatura 105 volte maggiore del Sole

corrispondente a 1 ns1 ns dopo il Big Bang

Dopo l’evidenze sperimentale Dopo l’evidenze sperimentale del bosone di Higgs del bosone di Higgs

potremmo essere alla vigilia potremmo essere alla vigilia di nuove grandi scoperte !!! di nuove grandi scoperte !!!