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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino1 1.Le particelle elementari 2.Il bosone di Higgs 3.Simmetrie nascoste 4.La storia delluniverso Torino, Master Class 28 Marzo 2014 Le particelle elementari, l'Higgs e quello che non sappiamo

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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino2 Quello che ci circonda estremamente complesso, spesso la sovrapposizione di moltissime cose diverse. Pensate a questa aula: ci sono moltissime cose che capitano in questo momento e scrivere le leggi fisiche per descriverle praticamente impossibile. Problema: Complessit del mondo Il riduzionismo il processo fondamentale usato in fisica per la comprensione della realt: Le propriet dei sistemi complessi si possono interpretare in termini delle propriet delle parti pi semplici che li compongono e delle forze che intervengono a comporli Soluzione: riduzionismo

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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino3 Una propriet emergente una propriet di qualche totalit complessa che non pu essere spiegata nei termini delle propriet delle sue parti. Senatores boni viri, senatus autem mala bestia Comportamenti emergenti sono spesso invocati in altre discipline tipo le scienze sociali o biologia Comportamenti emergenti

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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino4 Lapproccio riduzionista in fisica delle particelle ha portato a moltissimi progressi. Ogni ulteriore livello di riduzione porta con se` una grande quantit di informazioni, il passaggio da un livello a quello successivo avviene attraverso lo studio di simmetrie che indicano la presenza di una sotto-struttura La fisica delle particelle Oggi parliamo di quello che non sappiamo del prossimo livello

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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino5 Possiamo definire una particella come elementare se si pensa che non abbia sottostruttura. Questo vuol dire che non si pu rompere in pezzi pi piccoli. Le particelle elementari misurate sono di 3 tipi: 1)Particelle che trasmettono le forze (4) 1)Particelle che formano la materia (12) 1)La particella di Higgs (1+?) Cos una particella elementare?

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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino6 Elementari: queste particelle sono ritenute senza struttura interna (anche se non esclusa) Queste particelle si dicono materia, sono i costituenti della materia Queste particelle si dicono messaggeri, sono quelli che trasmettono le forze Notate la simmetria!!! 125 GeV/c 2

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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino7 Forza gravitazionale : (che non consideriamo adesso) Forza elettromagnetica: tiene uniti i protoni, i neutroni ed il nucleo anche se di carica uguale messaggero: gluone carica: colore (3 tipi) radioattivit, attivit solare messaggeri: W e la Z carica: debole Caduta dei corpi, moto stellare messaggero: gravitone carica: Massa/energia magneti, atomi, chimica messaggero: fotone carica: elettrica (1 tipo) Forza forte: Le forze ed i loro intermediari Forza debole:

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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino8 Una propriet fondamentale: lo spin delle particelle Le particelle elementari ruotano su se stesse. Questa propriet si chiama spin. Se lo spin 1.frazionario: , 3/2, 5/2 si chiamano fermioni 2.intero: 0,1,2 si chiamano bosoni Questo fatto, apparentemente secondario, ha delle conseguenze importantissime sul comportamento delle particelle

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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino9 Lo spin: i bosoni ed i fermioni Le particelle di materia hanno tutte spin : FERMIONI I messaggeri delle forze hanno tutti spin intero (1 o 2): BOSONI I fermioni interagiscono tra di loro scambiandosi bosoni Le particelle bosoniche possono stare tutte nelle stesso posto: -In una classe di studenti bosonici, serve una sola sedia -Un posteggio infinito di macchine bosoniche ha un solo posto Effetti di coerenza come la superconduttivit ed il laser sono dovuti a questo fatto Fermione bosone

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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino10 quark Einstein: E=mc 2 la massa si pu trasformare in energia e viceversa. Attraverso urti tra particelle si possono creare altre particelle: lenergia delle particelle viene trasformata in materia! Come si creano le particelle in laboratorio? protone Si crea sempre materia ed antimateria in quantit uguali

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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino11 s ct b u d Lo zoo delle particelle: adroni Negli urti si creano centinaia di particelle che sono in realta` stati legati: Barioni (qqq): p,n Mesoni (q-anti q):

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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino12 I decadimenti Le particelle piu` pesanti (sia elementari che composte) decadono in particelle piu` leggere e e W I decadimenti avvengono seguendo le regole (per esempio la conservazione della carica) descritte dal Modello Standard

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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino13 Materia ed anti-materia Ogni particella di materia ha la sua anti-particella. - I mediatori non hanno le antiparticelle: non esistono gli anti-gluoni o gli anti-fotoni! - Le anti-particelle hanno cariche opposte a quelle delle particelle Regola: se si creano delle particelle in laboratorio si ottiene Tanta materia quanto anti-materia, Tante cariche positive quante negative.

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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino14 u d e e t b Due problemi connessi c s 1) I quark ed i leptoni sono ripetuti 3 volte, ci sono 3 generazioni simili (ma non identiche) Non si sa perch (ci deve essere un doppietto di quark per ogni doppietto di leptoni, se no la teoria non rinormalizzabile, i conti predicono delle probabilit = infinito) 2) Tuttavia: 3 generazioni il numero minimo per permettere una differenza tra materia ed anti-materia Quindi: Se ci fossero solo 2 generazioni non saremmo qui poich tutta la materia ed anti-materia si sarebbero annichilate. la nostra esistenza una ragione sufficiente? Probabilmente no Dato che non sappiamo perch ci sono 3 generazioni, stiamo cercando la quarta

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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino15 1.Non si possono rompere 2.I bosoni hanno spin 1 o 2, i fermioni hanno spin 3.Materia o portatori di forza 4.I fermioni hanno unantiparticella 5.Le forze sono scambiate attraverso un bosone La lista completa:16 particelle elementari 6 quarks (fermioni): up, down, strange, charm, top, bottom 6 leptoni (fermioni): elettrone, muone, tau, neutrino_e, neutrino_m, neutrino_tau 4 trasmettitori di forza (bosoni): fotone, gluone, W, Z

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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino16 Simmetrie nella fisica delle particelle Le particelle prodotte negli urti possono essere catalogate in famiglie: evidenza di sottostruttura! Queste simmetrie sono state usate per predire particelle mancanti K0K0 K+K+ ++ K0K0 K-K- -- 0 ; S= -1 S= 1 Q=0 Q=1 Q=-1 S= 0

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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino17 Simmetrie (cont-) Le simmetrie sono una guida nella ricerca di nuovi fenomeni. La scoperta dei quark ne un esempio: s u d Situazione iniziale: t 1995 ! c 1974 b 1977

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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino18 Simmetrie Nascoste Le simmetrie della natura sono spesso nascoste, rotte da effetti che si sovrappongono. Esempio: le leggi della fisica sono simmetriche per rotazione. Sulla terra invece, a causa della gravit, questo non vero. Si dice allora che la simmetria nascosta (o rotta) dalla gravit. La simmetria esiste, ma non si vede pi La ricerca di simmetria nascoste il mestiere dei fisici teorici

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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino19 La massa delle particelle elementari Qual la simmetria tra le masse particelle elementari? Cosa ci dicono questi valori di massa? 125 GeV

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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino20 Lidea di Mr. Higgs Le particelle non hanno massa, e sono simmetriche tra loro Questa simmetria nascosta (broken) dal fatto che il bosone di Higgs, interagendo con le particelle, le rende massive !!!!!!

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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino21 Questa idea apre la porta alla descrizione matematica delle interazioni tra particelle, chiamata il MODELLO STANDARD, che possibile SOLO SE: Tutte le particelle hanno massa nulla C una particella assolutamente speciale, che non ne materia ne un messaggero di forze, che spiega perch le particelle sono massive: Il bosone di Higgs

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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino22 Il bosone di Higgs ed il campo di Higgs Pensate al campo elettromagnetico: il fotone la prova del campo elettromagnetico. la particella di Higgs H la prova del campo di Higgs.

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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino23 Il campo di Higgs Il concetto di campo in fisica comune, pensate ad un campo elettrico tra le facce di un condensatore. Importante: il campo elettrico ha una direzione. Il campo di Higgs analogo, ma uno scalare, come la temperatura: Il campo di Higgs non ha una direzione. Cos come il vuoto in un condensatore non esattamente vuoto perch c il campo elettrico, cos lo spazio non esattamente vuoto perch c il campo di Higgs. Il vuoto non assolutamente vuoto!!

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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino24 La massa dei leptoni e quark Idea chiave: Il campo di Higgs si incolla alle particelle e crea la loro massa La massa una propriet che viene acquisita attraverso linterazione con il bosone di Higgs: sembrano avere massa perch interagiscono con il bosone di Higgs e diventano pi difficili da spostare.

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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino25 Caccia al bosone di Higgs Dal 1964, anno di pubblicazione dellarticolo di Mr. Higgs che lo proponeva, la particella di Higgs stato il sacro Gral della fisica, su cui si sono riversati fiumi di articoli, soldi, notti insonni, matrimoni falliti, adrenalina, speranze e delusioni.

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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino26 Tutto cambiato il 4 luglio 2012.

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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino27 Come si fa un bosone di Higgs? La teoria ci dice quali sono i meccanismi di produzione: Si parte da due protoni due costituenti si fondono, e si forma lHiggs

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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino28 Per i curiosi

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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino29 Che probabilit ha di crearsi un bosone di Higgs? Si riesce a fare un bosone di Higgs una volta ogni 10 12 urti Nel modo in cui funziona LHC adesso, si fa circa un Higgs ogni ora (secondo la teoria attuale). Urto protone-protone che fa un Higgs Urto protone-protone 10 -12

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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino30 Come facciamo a vederlo? Il bosone di Higgs non vive abbastanza a lungo per essere misurato, ma decade subito in altre particelle. Dobbiamo misurare la massa di coppie bb, oppure WW, ZZ, , e vedere se la stessa.

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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino31 protone fotone Evento misura a CMS a Giugno 2011 E o non un Higgs ?

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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino32 protone muone Evento misura a CMS ad Agosto 2011 muone E o non un Higgs muoni ?

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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino33 elettrone Evento misura a CMS ad agosto 2011 elettrone E o non un Higgs elettroni ?

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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino34 1.Non sappiamo scrivere una teoria in cui le particelle siano massive. La particella di Higgs risolve questo problema. 1.Permea tutto lo spazio. Non si era mai visto prima un effetto cos 2. la prima particella elementare con spin 0 mai trovata. quindi un nuovo stato della materia. 3. un nuovo tipo di forza: il campo di Higgs la quinta forza della natura Perch lHiggs cos speciale?

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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino35 Abbiamo scoperto lHiggstuttavia: Cosa capita adesso I modelli teorici prevedono che assieme alla particella Higgs si debbano trovare altre particelle Per non abbiamo trovato altre particelle, quindi: 1)Le troveremo nei prossimi anni (quando LHC a Ginevra ricomincia a funzionare) 2)Le teorie sono sbagliate 3)Per far tornare i conti dobbiamo moltiplicare la massa teorica dellHiggs per 10 -16 I nostro colleghi teorici, in discussioni pre-LHC erano molto sicuri di se: Abbiamo capito tutto: ad LHC troverete sia lHiggs che altre cose. Abbiamo trovato lHiggs, ma niente daltro!!

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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino36 Rapporto teorici-sperimentali prima e dopo LHC pre - LHC Fisico teorico Fisico sperimentale post - LHC Fisico sperimentale Fisico teorico

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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino37 E adesso cosa facciamo? Ci sono domande fondamentali di cui non sappiamo la risposta, abbiamo teorie che ipotizzano delle soluzioni. Dobbiamo trovare delle nuove particelle per capire quale delle teorie proposte sia quella giusta. LHC riparte tra qualche mese con energia pi alta, speriamo di trovare cose nuove Adesso, per capire le leggi della fisica, guardiamo il cielo

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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino38 Fisica astro-particellare Gli istanti iniziali del nostro universo sono stati governati dalle stesse forze che studiamo negli acceleratori, per cui naturale guardare le stelle per capire cosa sia capitato.. Studiare le leggi che hanno regolato levoluzione delluniverso equivalente a fare un enorme esperimento. provato che: 1.Ci sia stato un big bang 2.Che ci sia stato un momento di rapidissima espansione (inflazione) La fisica di LHC quella di 10 -11 sec dopo il big-bang

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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino39 Lontano = indietro nel tempo Ci serve un concetto fondamentale, usato sempre in astrofisica: Guardare lontano vuole dire guardare indietro nel tempo. La luce di una galassia lontanissima ci ha messo tantissimo tempo ad arrivare, e quindi ci racconta come era la galassia quando partita. 1.Noi vediamo la luna comera 1.3 secondi fa 2.Noi vediamo il sole comera 500 secondi fa 3.Le stelle al limite della nostra galassia comerano 100,000 anni fa

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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino40 Velocit di espansione delluniverso Consideriamo una macchina dei pompieri con la sirena accesa. Guardando ed ascoltando possiamo imparare due cose: -Sapendo la sua dimensione reale, dalla sua dimensione apparente possiamo capire la posizione -Sapendo la sua frequenza reale, dalla frequenza apparente possiamo calcolarne la velocit (effetto doppler) Nelluniverso le macchine dei pompieri sono le supernova 1 a: se ne conosce la luminosit e frequenza molto bene. Dalla luminosit e frequenza apparente, possiamo ricavare la posizione e velocit delle supernovae. supernovae lontane hanno velocit minore di quelle vicine

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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino41 Dark Energy Ricordiamoci: Supernovae lontane = supernovae pi antiche Supernovae vicino = supernovae pi recenti. La velocit di espansione di supernovae pi antiche pi lenta di quelle pi recenti Conclusione: Nel passato, lespansione delluniverso era pi lenta, cio luniverso sta accelerando. (premio Nobel per la fisica 2011). Esiste una forma di energia che esercita una forza repulsiva: DARK ENERGY Non abbiamo assolutamente idea cosa sia. (secondo il BigBang lespansione dovrebbe rallentare a causa della gravit)

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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino42 Velocit di rotazione delle galassie Calcolo usando le stelle visibili Consideriamo una galassia qualunque. Le stelle ruotano intorno al centro della galassia, come i pianeti intorno al sole. Usando le leggi di Newton e Keplero, si pu dimostrare che le stelle alla periferia devono girare pi piano, cio che dove c meno materia le stelle girano pi piano. In realt la velocit di rotazione costante allaumentare del raggio

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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino43 Dark matter La velocit di rotazione costante allaumentare del raggio: per ottenere questo effetto ci deve essere tantissima altra materia, che non fa luce, ma che produce forza gravitazionale: dark matter E non sappiamo cosa sia Dark matter = 500% normal matter !!!

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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino44 Un problema ovvio Durante il big bang, cio il momento iniziale del nostro universo, si creata tanta materia quanta anti-materia, tuttavia abbiamo un ovvio problema: Dove finita lanti-materia? Imbarazzante: non abbiamo idea => Abbiamo perso il 50% delle particelle.. Nota: materia ed anti-materia non sono esattamente uguali: se lo fossero sarebbero scomparse entrambe nello stesso modo ed adesso ci sarebbe solo energia (questo problema si chiama CP violation, una violazione di simmetria)

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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino45 Di cosa fatto luniverso? Il 4-5 % costituito dalla materia che conosciamo Il 22-25% costituito da Dark Matter: I.Non emette nessun tipo di radiazione elettromagnetica. II.Fa ruotare le galassie pi velocemente III.Una possibilit che contenga particelle super-simmetriche Il 70 - 73% composto da Dark Energy 1.Riempie uniformemente tutto lo spazio 2.Aumenta la velocit di espansione delluniverso

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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino46 Sommario Abbiamo trovato lHiggs (probabilmente) Non abbiamo trovato altre particelle, quindi la nostra teoria principale, lo Standard Model, non sa come spiegare alcuni aspetti della fisica che vediamo ad LHC. Non sappiamo: 1.perch lanti-materia sia sparita 2.cosa sia la materia oscura che fa girare le galassie 3.cosa sia lenergia oscura che fa accelerare luniverso 4.quale sia stata la forza che ha causato linflazione Abbiamo unarma segreta: voi! Venite ad aiutarci