Slide 1

Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino1 Le particelle elementari, simmetrie nascoste e la caccia al bosone di Higgs Milano, Liceo Severi 14 Maggio 2012

Slide 2

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

Slide 3

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

Slide 4

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 regolarit che indicano la presenza di una sotto-struttura La fisica delle particelle Oggi parliamo di quello che non sappiamo del prossimo livello

Slide 5

Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino5 Fondamentali: 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

Slide 6

Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino6 Bosoni e fermioni Un fatto fondamentale: 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. Due fermioni non possono avere gli stessi numeri quantici. Questa la ragione per cui esistono gli orbitali negli atomi. Due bosoni possono avere gli stessi numeri quantici: questa la ragione dellesistenza del laser e della superconduttivit

Slide 7

Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino7 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

Slide 8

Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino8 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

Slide 9

Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino9 Particelle e viaggi nel tempo Quando, come ad LHC, si scontrano particelle, si crea uno stato della materia che non esiste attualmente in nessun altro posto nelluniverso. Le condizioni che si creano ad LHC sono esistite solo negli attimi iniziali dopo il BigBang. LHC ~ 10 -11 sec

Slide 10

Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino10 Antimateria Lantimateria una concetto comune in fisica delle particelle, come la carica negativa rispetto a quella positiva. Regola: se si creano delle particelle in laboratorio si ottiene tanta materia quanto anti-materia, tante cariche positive tante negative. Come elementi, per ora sappiamo fare solo lanti-idrogeno e lanti-elio Lantimateria costa tantissimo: $25 miliardi per un grammo di positroni (anti-elettroni) e $62,5 trillioni per un grammo di anti-idrogeno Quando materia ed antimateria si incontrano, si annichilano

Slide 11

Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino11 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)

Slide 12

Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino12 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 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

Slide 13

Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino13 Forza gravitazionale : 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: cariche ed intermediari Forza debole:

Slide 14

Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino14 La forza di colore: 3 cariche La forza di colore molto diversa dalle altre Ci sono 3 cariche (3 colori): Lo scambio di un gluone pu cambiare il colore del quark. I gluoni sono colorati, cio sono carichi, e quindi interagiscono tra di loro. Aumenta con la distanza g

Slide 15

Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino15 Cosa capita quando due particelle si allontanano? Forza di gravit ed elettromagnetica: Forza di colore: La forza diminuisce con la distanza, le particelle sono libere. 1.I fotoni non sono carichi 2.Le particelle hanno sempre la stessa carica Aumenta con la distanza, le particelle non possono liberarsi. 1.I gluoni sono carichi, ed interagiscono tra di loro 2.I quark cambiano carica

Slide 16

Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino16 Le particelle che avete visto fino ad adesso (quark, leptoni, messaggeri) vengono descritte da un modello matematico chiamato: Modello Standard Descrive moltissimi dati sperimentali con grande accuratezza Tuttavia ci sono cose che non sappiamo. Per esempio: Dimensioni spaziali? Di cosa fatto luniverso? Simmetrie nascoste: Il bosone di Higgs La ragione dellesistenza del bosone di Higgs

Slide 17

Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino17 Solo 3 dimensioni spaziali? Immaginiamo di vivere in un mondo a due dimensioni nel quale ci muoviamo solo su di un piano. Supponiamo inoltre che sia un tipo di temibili oggetti che vivono in 3 dimensioni, le SFERE. Le SFERE appaiono e scompaiono, senza nessuna possibilit di sapere dove arriveranno la prossima volta.. Nello stesso modo possiamo immaginare che ci siano della particelle che vivono in 4,512 dimensioni che appaiono e scompaiono nel nostro mondo. String theory predice 6 extra dimensioni Domanda: perch la gravit cos debole? (la risposta ha a che fare con extra dimensioni ??)

Slide 18

Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino18 Oscuri Segreti Abbiamo un altro problema: Quello che vi ho raccontato spiega solo il 5% delluniverso, questa volta abbiamo perso il 95% delluniverso Cosa sappiamo del 95% delluniverso? Sappiamo che c perch ne vediamo il suo effetto gravitazionale 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

Slide 19

Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino19 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

Slide 20

Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino20 Il meccanismo di Higgs: rottura di simmetria Le particelle che vediamo in natura sono il risultato di una rottura di simmetria (L-R) da parte del campo di Higgs Consideriamo lelettrone: esistono due particelle elettrone, chiamate e L ed e R. a massa nulla. Il campo di Higgs mischia i due stati in ununica particella massiva. e eLeL eReR H H eLeL eReR H H eLeL Prima della rottura di simmetria i quark ed i leptoni hanno massa nulla ed esistono in due esemplari separati: L ed R.

Slide 21

Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino21 Particelle reali Particelle apparenti MANCA!!

Slide 22

Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino22 La massa dei leptoni e quark Idea chiave: Leptoni e quark non hanno 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.

Slide 23

Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino23 Nota Bene

Slide 24

Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino24 Problemi successivi Lorigine della particella di Higgs Inconsistenze matematiche del modello standard che producono predizioni impossibili Molte delle inconsistenze si risolvono introducendo unulteriore simmetria nascosta: la supersimmetria La Supersimmetria crea una simmetria tra particelle fermioniche e bosoniche: ogni particella esiste sia nella versione fermionica che bosonica.

Slide 25

Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino25 La Supersimmetria Secondo la supersimmetria quindi dobbiamo trovare: -Quark e leptoni che sono bosoni (s-quark, s-lepton) -Gluoni, fotoni che sono fermioni Dato che una simmetria deve capitare: massa dei quark = massa s-quark massa dei leptoni = massa degli s-leptoni Non abbiamo mai trovato s-quark o s-leptoni, quindi la loro massa molto pi grande dei loro fratelli fermionici. Questo vuol dire che la supersimmetria rotta, nascosta da qualche cosa

Slide 26

Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino26 Riassunto : 2 simmetria nascoste Luniverso fatto (forse) da particelle supersimmetriche che si presentano sia nello stato bosonico che fermionico, tutte a massa nulla (elettrone con spin = 0 ed ). La supersimmetria rotta da qualche cosa che non sappiamo, che agisce sulle particelle bosoniche Le particelle fermioniche sono ancora senza massa, ed esistono in due stati (S-L). Le particelle bosoniche sono molto pesanti La simmetria S-L rotta dal campo di Higgs: per esempio, al posto di due tipi di elettrone (S,L) a massa nulla, ne abbiamo uno massivo Le particelle fermioniche hanno massa piccola (