Alla ricerca della particella perduta

Perché il bosone di higgs è così importante?Perché il bosone di higgs è così importante?

Alla ricerca della particella perduta

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IntroduzioneIntroduzione

●La materia è fatta di atomi●Gli atomi sono fatti di nucleo + elettroni●Il nucleo è fatto di particelle●A loro volta composte●Quando finisce la scala?

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Il modello StandardIl modello Standard

●Cos'èElenco di particelle e interazioni tra esse (campi)Descrizione delle interazioni in termini di scambi di particelle elementari

●Cosa non èUna teoria del tutto

●Cosa c'è dentroMatematica complessa (teorie dei gruppi, gauge)

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Breve storia delle particelle...Breve storia delle particelle...● 1885 Becquerel & Curie –

Scoperta del decadimento radiattivo● 1898 Thompson–

Scoperta dell'elettrone● 1905 Einstein–

Teoria della relatività ristretta e dualismo onda-particella

● 1911 Rutherford–Scoperta delle particelle alfa e dei protoni

● 1926 Heisenberg & Schr– ödingerFormulazione della meccanica quantistica

● 1928 Dirac–Teorizzazione dell'antimateria

● 1932 - ChadwickScoperta del neutrone

● 1932 Anderson–Scoperta del positrone

● 1934 - FermiTeorizzazione delle forze deboli (neutrino)

● 1964 Gell-Mann & Zweig–Teoria dei quark

● 1964 Higgs–Proposta della rottura spontanea di simmetria

● 1968 Glashow & Weinberg & Abdus Salam–Formalizzazione del modello standard

● 1983 Rubbia–Scoperta dei bosoni W e Z

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… … e delle loro osservazionie delle loro osservazioni● 1937 Street & Stenenson–

Osservazione del muone● 1956 Reines & Cowan –

Osservazione del neutrino elettronico● 1962 Lederman–

Osservazione del neutrino muonico● 1969 Friedmann & Kendall & Taylor–

Prima evidenza dei quark● 1974 Brookhaven & SlAC–

Osservazione del quark charmed

● 1977 SPEAR–Osservazione del leptone tau

● 1983 Rubbia–Scoperta dei bosoni W e Z

● 1995 FermiLAB–Osservazione del quark top

● 2000 FermiLAB–Osservazione del neutrino tau

● 2013 CERN LHC– –Osservazione del bosone di Higgs

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uup

2,4 MeV

⅔½ c

charm

1,27 GeV

⅔½ t

top

171,2 GeV

⅔½

ddown

4,8 MeV

- ⅓½ s

strange

104 MeV

½- ⅓ b

bottom

4,2 GeV

½- ⅓

<2,2 eV

0

½ ν μ<0,17 MeV

0

½ ν τ<15,5 MeV

0

½

eelettrone

0,511 MeV

- 1

½ μmuone

105,7 MeV

½- 1 τ

tauone

1,777 GeV

½-1

γfotone

0

0

1

ggluone

0

1

0

Z91,2 GeV

0

1

W80,4 GeV

1

±1

massa→

spin→

carica→

Qu

ark

Lep

ton

i

Boso

ni d

i g

au

ge

I II III

nome→

forza debole

Tre generazionidella materia (fermioni)

neutrino elettronico

neutrino muonico

neutrino tauonico

forza debole

νe 0

±

Il Modello StandardIl Modello Standard●Quark

Fermioni (spin semi-intero)Soggetti all'interazione forte ed elettrodeboleCostituiscono adroni:

barioni (3) e mesoni (2)

Possiedono una carica di colore“ ”●Leptoni

Fermioni3 particelle con i rispettivi neutrini

●Mediatori di forzeBosoni (spin intero)Vengono da teorie di Gauge

Per un esaustivo e completo

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Cosa manca?Cosa manca?●Il gravitone

La gravità non è compresa nel modello standard, non essendo la relatività generale compatibile con la meccanica quantistica

●L'unificazione delle 4 forze●La materia oscura●Particelle e altri fenomeni●La massa dei neutrini●La massa delle particelle

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Va tutto bene?Va tutto bene?

●Alcuni problemi del Modello StandardI gluoni hanno carica di colore (sono soggetti alla forza forte)I bosoni W e Z hanno massa

●Higgs la risolve introducendo delle rotture spontanee di simmetria (locale) nel Modello

Esistenza di un bosone che origina la massa dei bosoni“ ”Asimmetria tra il fotone (massless) e le particelle W

Spiega anche la massa dei fermioni (non quantitativamente)

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Le simmetrieLe simmetrie●Trasformazioni che non cambiano la natura del modello

C = coniugazione di carica (inverto + con -)P = parità (riflessione, inverto x con -x)T = inversione temporale (inversione della direzione del tempo)

●1918: Teorema di Nöther: le simmetrie danno origine alle leggi di conservazione (massa, energia, momento angolare)●La materia prevale sull'antimateria●Dal 1956 sappiamo che ci sono fenomeni che violano alcune di queste simmetrie (o loro combinazioni)

Le interazioni deboli ne violano diverse...

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Higgs e le simmetrieHiggs e le simmetrie

●Le simmetrie si mantengono ad alte energie (unificazione) e impediscono la presenza di massa●A energie inferiori, spontaneamente le simmetrie si rompono (per giustificare alcuni dati sperimentali)●Il bosone di Higgs è prova di queste rotture “spontanee”

Simmetrie imperfette

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Breve storia del lavoro di HiggsBreve storia del lavoro di Higgs11my life as a bosonmy life as a boson●La rottura di simmetria è ben nota nella fisica della materia condensata

Primo esempio: teoria del ferromagnetismo (Heisenberg 1928)Nella fisica delle particelle gli esempi più rilevanti sono la superconduttività e la superfluidità

Superfluidità: rottura della simmetria in una transizione di fase di un condensato di Bose (Bogoliubov 1947)Superconduttività: un condensato di Bose di particelle cariche spinless (Ginzburg-Landau 1950)

●Nambu la applica anche alle particelle elementari e Goldstone introduce il potenziale a sombrero (1960)“ ”●Teorema di Goldstone: quando una simmetria è rotta spontaneamente, compaiono particelle scalari senza massa né spin: dimostrato da Goldstone-Salam-Weinberg nel 1962

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Breve storia del lavoro di HiggsBreve storia del lavoro di Higgs22my life as a bosonmy life as a boson

●1964On PRL Klein & Lee mostrano che è possibile aggirare il teorema di GoldstoneHiggs (in risposta a un articolo di Gilbert) scrive 2 lettere al “ ”CERN

Dimostra che è possibile aggirare il teorema di GoldstoneNe trova una prova, utilizzando il campo di Maxwell (respinta)

Poi invia un articolo a PRL aggiungendo le conseguenze sperimentali dei suoi calcoli, cioè la presenza della particella

Il referee (Nambu) fa presente un analogo articolo di Englert e Brout, che però non avevano fatto riferimento a una particella massiva

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Il campo di HiggsIl campo di Higgs

●Il vuoto sarebbe pieno di un condensato di particelle di Higgs Non dissimile dai campi legati agli altri bosoni... … se non fosse che non è mai nullo

●Le particelle (bosoni) lo attraversano continuamente●Più le particelle interagiscono con il campo di Higgs, più rallentano, più si dotano di massa” ”

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Simmetrie nel campo di HiggsSimmetrie nel campo di Higgs

●Universo inizialmente simmetrico●10-11 secondi dopo il BB la simmetria locale si rompe●Si mantiene la simmetria complessiva, ma viene nascosta“ ”●Transizione di fase (con creazione del campo di Higgs), la cui prova è il Bosone

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Identikit di una particellaIdentikit di una particella●Dai calcoli

Si accoppia con le particelle pesanti“ ”Interazione proporzionale alla massaNo neutrini

Pur essendo diffuso, interagisce con pochissimo con le particelle che utilizziamo (elettroni): energia di interazione attesa oltre 200 GeV (vicino alla rottura di simmetria)Massa attesa 115 165 GeV–

Dal 1989 al 2001 diversi esperimenti hanno ristretto il range delle possibili masse

Spin=0●Il meccanismo è completamente testabile, teoricamente●Massa sperimentale 126 GeV (circa una base del DNA)

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La particella di Dio...La particella di Dio...

This boson is so central to the state of physics today, so crucial to our final understanding of the structure of matter, yet so elusive, that I have given it a nickname: the God Particle. Why God Particle? Two reasons. One, the publisher wouldn't let us call it the Goddamn Particle, though that might be a more appropriate title, given its villainous nature and the expense it is causing. And two, there is a connection, of sorts, to another book, a much older one...

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Ma risolve i nostri problemi?Ma risolve i nostri problemi?

●“Fornisce massa alle particelle”Senza massa non c'è possibilità di interazione

●Spiega (con la rottura locale di simmetria) la massa dei bosoni W●Completa il modello standard

Nulla fa presagire nuove particelle o nuovi fenomeni

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Ma ne restano diversi...Ma ne restano diversi...

●SupersimmetrieAssociazione tra bosoni e fermioni (molto massive)

●Dalla teoria: il campo di Higgs esiste in 2 stati, quello noto e in una forma ultradensa“ ”

Una transizione di fase (simile a un effetto tunnel) potrebbe rendere instabile ogni forma di massa!

Probabilità bassissima (1 su 10100 anni)La massa del Bosone è ESATTAMENTE quella che serve per il modelloIl multiverso e l'angolo delle dune...

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Cosa c'entrano le dune?Cosa c'entrano le dune?

●Costante vicina al valore limite

Massa di HiggsΩ

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Come lo cerchiamo ?Come lo cerchiamo ?

●LHC @ CERN (ora in LS 1)ATLAS

A Toroidal Lhc ApparatuS

CMSCompact Muon Solenoid

ALICEA Large Ion Collider Experiment

Ultimo risultato: 3 modi di decadimento del Bosone (26.11.2013)

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BibliografiaBibliografia

●Weinberg S., The making of standard model, arXiv:hep-ph/0401010●Gamow G., Biografia della Fisica, Mondadori, Cap VIII●Particle Physics Booklet, http://pdg.lbl.gov●J. Beringer et al. (Particle Data Group), Phys. Rev. D 86, 010001 (2012)