LA TERRA INCOGNITA DI LHCLA TERRA INCOGNITA DI LHC Antonio Masiero

LHC SPICCA IL SALTO VERSO L’IGNOTOL’IGNOTO

PADOVA, 19 GENNAIO 2010

DOMANDE “FONDAMENTALI” DOMANDE “FONDAMENTALI” SULLA MATERIA: ESISTE SULLA MATERIA: ESISTE L’L’ELEMENTAREELEMENTARE? ESISTE ? ESISTE

UN’UNITA’ DI FONDOUN’UNITA’ DI FONDO??• Di che cosa e’ fatta la materia dell’Universo ?• Scomponendola in parti sempre piu’ piccole,

e’ possibile arrivare ai “mattoni fondamentali” della materia ( particelle di materia che non sono divisibili e che non hanno struttura)?

• Quali sono le forze ( “interazioni”) che agiscono sulla materia?

• Esiste una UNIFICAZIONE delle forze per cui la varieta’ delle interazioni discende da un’unica interazione fondamentale?

LHC LA CONOSCENZA DEL FONDAMENTALE

LHCLHC

Terra Incognita perche’

• Non sappiamo se esista una particella elementare da identificare con il BOSONE di HIGGS

• Non sappiamo quale NUOVA FISICA oltre il Modello Standard esista

• Non sappiamo dove ( cioe’ a quale scala di energia) tale Nuova Fisica possa apparire sotto forma di nuove particelle e interazioni

• Non sappiamo quale sia stata la storia dell’ Universo Primordiale prima della formazione dei primi nuclei ( circa 1 minuto dopo il Big Bang) e quindi non sappiamo quale immagine del Big Bang ci daranno le collisioni ad alta energia di LHC

LA VIA DELL’ALTA ENERGIALA VIA DELL’ALTA ENERGIA

Fisica delle Particelle dopo il Big Bang magnetismo

elettricità

forza debole

forza nucleare

gravità

gravità

celeste

terrestre

magnetismo

elettroelettrodinamica quantistica

modello elettrodebole

modellostandard

cromodinamica quantistica

grande

unificazionegravitàquantistica

THE G-W-S STANDARD MODEL

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FORZE FONDAMENTALIFORZE FONDAMENTALI

SIMMETRIESIMMETRIE

G. Isidori,

Corso di formazione INFN di Ischia, 2009

LEP ci ha gia’ detto che l’HIGGS ESISTE?• LEP ci ha confermato che la SIMMETRIA connessa alle FORZE

ELETTRO-DEBOLI non e’ preservata nello stato di minima energia ( il VUOTO della teoria) in cui il sistema si trova ( in questo caso si dice che la simmetria e’ rotta “Spontaneamente”). La “rottura spontanea” della simmetria elettrodebole causa le masse dei bosoni W e Z mediatori di queste forze. Questo meccanismo si chiama MECCANISMO di HIGGSMECCANISMO di HIGGS

• LEP ha dimostrato che il Meccanismo di HIGGS opera in Natura. Ma tale meccanismo non necessita della presenza di una particella non necessita della presenza di una particella elementare, il bosone di Higgselementare, il bosone di Higgs

• NON sappiamo ancora se questo mattone fondamentale esista; quello che e’ sicuro e’ che “QUALCOSA DEVE PRODURRE IL “QUALCOSA DEVE PRODURRE IL MECCANISMO DI HIGGS”MECCANISMO DI HIGGS”

INDICAZIONI DI NUOVA FISICA AL DI LA’ DEL MODELLO STANDARD

• MASSA DEI NEUTRINI• ESISTENZA DI MATERIA OSCURA NON COSTITUITA

DALLA “SOLITA” MATERIA (protoni, neutroni) • ASIMMETRIA COSMICA TRA MATERIA E

ANTIMATERIA: ESISTENZA DI UNA NUOVA SORGENTE DI VIOLAZIONE DI CP OLTRE A QUELLA PREVISTA DAL MODELLO STANDARD

• DOMANDE “FONDAMENTALI” A CUI IL MODELLO STANDARD NON RISPONDE:

- UNIFICAZIONE DELLE FORZE FONDAMENTALI - MASSE E MESCOLAMENTI DEI FERMIONI- “STABILITA’” DELLA SCALA DI ENERGIA A CUI I

BOSONI W e Z PRENDONO MASSA ( circa 100 GeV)

NESSUN COSTITUENTE DEL MODELLO STANDARD PUO’ FORNIRE LA MATERIA OSCURA

STRADE PER ANDARE AL DI LA’ DEL MODELLO STANDARD

1) NON ESISTE NESSUNA SCALA DI ENERGIA OLTRE QUELLA DEL MS: la gravita’ e’ una forza molto debole perche’ esistono NUOVE DIMENSIONI oltre alle 3+1 spazio-temporali “nostre”

VISIBILITA’ A LHC: ESISTONO STATI ECCITATI ( DI KALUZA-KLEIN) ED ALCUNI SONO A SCALA ACCESSIBILE A LHC ( il piu’ leggero KK puo’ essere una particella stabile e costituire la materia oscura)

STRADE OLTRE SM (II)

• 2) NON ESISTE IL PROBLEMA DI “TRATTENERE” LA MASSA DEL BOSONE DI HIGGS A 100 GEV PERCHE’ L’HIGGS E’ UN OGGETTO COMPOSTO

VISIBILITA’ A LHC: NUOVE INTERAZIONI CHE PRODUCONO IL CONDENSATO DI FERMIONI CHE CHIAMIAMO HIGGS ( nuove risonanze, nuovi stati legati, una nuova QCD a 1 TeV)

STRADE OLTRE SM (III)

• 3) LA MASSA DELL’HIGGS E’ “PROTETTA” A 100 – 1000 GEV PERCHE’ ESISTE UNA NUOVA SIMMETRIA, LA SUPERSIMMETRIA

VISIBILITA’ A LHC: VEDREMO LE PARTICELLE SUPERSIMMETRICHE E LE LORO INTERAZIONI. LA PIU’ LEGGERA PARTICELLA SUSY PUO’ ESSERE STABILE E COSTITUIRE LA MATERIA OSCURA. AL TEMPO STESSO POTREMMO SCOPRIRE SUSY E LA SORGENTE DEL 90% DELLA MATERIA PRESENTE NELL’UNIVERSO

FCNC, CP ≠, (g-2), ()0 …

FISICA “RARA” : PROCESSI SOPPRESSI NEL MS A CUI PUO’ CONTRIBUIRE LA NUOVA FISICA

m n …

LEGAME TRA FISICA DELLE PARTICELLE, COSMOLOGIA E ASTROFISICA

NUOVA FISICAAL DI LA’ DEL

MS

RICERCA DIRETTA DI NUOVA FISICA: PRODUCI E OSSERVA NUOVE PARTICELLE ED INTERAZIONI

MICRO MACROMODELLO STANDARDMODELLO STANDARD PARTICELLARE: COSTITUENTI E INTERAZIONI FONDAMENTALI

MODELLO STANDARDMODELLO STANDARDCOSMOLOGICO:

HOT BIG BANG

MATRIMONIO FELICEMATRIMONIO FELICEES: NUCLEOSINTESI

MA ANCHE PUNTI DI ATTRITO

MATERIA OSCURA ED ENERGIA OSCURA:MATERIA OSCURA ED ENERGIA OSCURA:

FINESTRA SU NUOVA FISICA AL DI LA’ DEL MODELLO STANDARD PARTICELLARE E/O MODELLO STANDARD COSMOLOGICO