Tecniche ed idee per la rivelazione di 1 particelle, a...
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1 N. Cartiglia, INFN, Torino, Scuola di Fisica, 23 Marzo 2016 Tecniche ed idee per la rivelazione di particelle, a terra e nello spazio Quali sono le particelle che possiamo misurare? Cosa ci raccontano i neutrini? Come si misura la particella di Higgs? Come si misurano le onde gravitazionali?
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Tecniche ed idee per la rivelazione di particelle, a terra e nello spazio
Quali sono le particelle che possiamo misurare?
Cosa ci raccontano i neutrini?
Come si misura la particella di Higgs?
Come si misurano le onde gravitazionali?
2
La fisica delle particelle
Che cosa sono “le particelle” che rileviamo? La natura intorno a noi è fatta da poche particelle:
l’elettrone, il protone, il neutrone
Il sole produce altre particelle, i raggi cosmici, che contengono un altro gruppo di particelle:
neutrini, muoni, pioni, kaoni
Ogni tanto sulla terra per reazioni spontanee (radioattività) si producono alcune altre particelle:
Anti-elettrone (positrone), anti-neutrini
Quindi abbiamo finito?
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Le particelle si creano in laboratorio
quark
Einstein: E=mc2 la massa si può trasformare in energia e viceversa.
Attraverso urti tra particelle si possono creare altre particelle: l’energia delle particelle viene trasformata in materia!
protone
protone
Si crea sempre materia ed antimateria in quantità uguali
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Lo zoo delle particelle Negli urti si creano centinaia di particelle: per molti anni c’era molta
confusione, poi si è capito un fatto importante:
Alcune particelle sono elementari, altre che sono composte Possiamo definire una particella come “elementare” se assumiamo
che non abbia sottostruttura. Questo vuol dire che non si possono rompere in pezzi più piccoli.
Quante/quali sono? • Leptoni: l’elettrone ed i suoi fratelli (6) • I quark (che formano altre particelle) (6) • I portatori di forze (4) • La particella di Higgs (1+?)
Conosciamo 17 particelle elementari
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Lo zoo delle particelle Molte altre particelle sono composte di quark:
Barioni (qqq): p,n
Mesoni (q-anti q): p,K,ω,ρ,ψ
Ci sono centinaia di particelle composte…
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Un libro pieno di particelle Come si fa a ricordare il nome di tutte le particelle?
Non lo si fà!!
Ma si può comprare un libro con tutti i nomi
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7 500 pagine, si legge come un romanzo…
Un libro pieno di particelle N
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ca
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Ma
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6
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µ
I decadimenti
Le particelle più pesanti (sia elementari che composte) decadono in particelle più leggere
νe
e
νµ
W
Noi possiamo rivelare solo particelle che sono stabili oppure che vivono sufficientemente a lungo
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Ma cosa vuol dire “decadono”? ! Molte delle proprietà della particella madre vengono trasmesse
alle particelle figlie:
! ! Conservazione della energia totale, carica….
! Alcune proprietà non sono conservate:
! ! Non conservazione della massa, etc..
Conservazione del valore, non conservazione del peso
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Come vengono viste le particelle che decano?
Consideriamo il bosone di Higgs, particella cercata per circa 30
anni e finalmente trovata
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, …, gg, e vedere se è la stessa.
N. Cartiglia, INFN, Torino, Scuola di Fisica, 23 Marzo 2016
11 Evento misura a CMS a Giugno 2011
E’ o non è un “Higgs! γγ” ?
N. Cartiglia, INFN, Torino, Scuola di Fisica, 23 Marzo 2016
12 Evento misura a CMS ad Agosto 2011
E’ o non è un “Higgs! 4 muoni” ?
Le particelle vengono prodotte:
! In laboratorio, dai grandi acceleratori
! Nello spazio, dalle stelle ed altre sorgenti
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Quindi… cosa misuriamo?
Vediamo adesso degli esempi di rivelatori di particelle
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Cosa sono i neutrini?
I neutrini sono particelle stabili, neutre, create nel decadimento di
elementi radioattivi.
Si chiamano neutrini perché sono neutre e con la massa molto piccola
(nome inventato da Enrico Fermi)
La maggioranza dei neutrini si sono formati appena dopo il big-bang, ci
sono ~ 300 neutrini per ogni cm^3 dell’universo!
I neutrini sono creati nella stelle, in particolare nelle esplosioni di
supernovae
I neutrini interagiscono molto raramente, ci vogliono dei rivelatori molto
grandi.
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Cosa ci raccontano i neutrini?
È molto importante misurare accuratamente i neutrini, quanti sono e da
dove vengono, perché sono dei “messaggeri” che non cambiano mai
direzione.
Studiare i neutrini è un modo alternativo all’astronomia in luce visibile di
capire l’universo e le stelle
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Come si misurano i neutrini? Consideriamo un tipo di reazione: neutrino+neutrone ! elettrone+protone
Dove trovo un enorme rivelatore trasparente?
L’elettrone muovendosi in un mezzo
trasparente emette “luce” Cherenkov
Devo misurare questa luce
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Idea # 1: nel mare! Costruisco una palla che misura luce
Non ci si riesce ancora.., i pesci
fanno luce e danno molto fastidio
neutrino detector chiamato KM3NeT
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Idea # 2: in una grande vasca Costruisco un’enorme vasca piena d’acqua, con rivelatori di luce tutto
intorno
Successo straordinario, per molti anni il miglior rivelatore di neutrini
neutrino detector chiamato SuperKamioconde, in Giappone
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Idea # 3: nel ghiaccio del polo sud Usando il ghiaccio del polo sud
neutrino detector chiamato IceCube, in Antartide
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Idea # 3: nel ghiaccio del polo sud
Problemi:
- La cenere di eventi
vulcanici
- Le bollicine d’aria nel
ghiaccio
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Cosa ci raccontano i neutrini?
I neutrini hanno una particolarità molto interessante: oscillano tra di loro
L’oscillazione avviene a seconda della differenza di massa, quindi
misurare l’oscillazione vuol dire avere informazioni sulla loro massa
…come se un gatto mentre corre cambiasse colore:
Oscillazione di gatti
Oscillazione di neutrini
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Come si misurano le oscillazioni di neutrini?
Bisogna misurare i neutrini due volte,
dopo una certa distanza, e vedere se il
tipo di neutrino cambia
In Cina si sono costruiti dei
rivelatori di neutrini vicino ad un
enorme reattore nucleare, e si
misura la differenza tra i neutrini
misurati vicino e lontano
Seconda misura
Prima misura
Prima misura
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6 Caccia al bosone di Higgs
La particella di Higgs è stato il sacro Gral della fisica, su cui si sono riversati fiumi di articoli, soldi, notti insonni, matrimoni falliti, adrenalina, speranze e delusioni. Per dimostrare la sua esistenza bisogna crearlo in un acceleratore,
e poi misurarlo con un rivelatore adatto
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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 l’Higgs
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6 Per i curiosi
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Con che probabilità si crea un bosone di Higgs?
Si riesce a fare un bosone di Higgs una volta ogni 1012
urti…
Urto protone-protone che fa un Higgs
Urto protone-protone
10-12
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Come facciamo a fare un bosone di Higgs?
! Ricordiamoci alcune cose:
1. Probabilità di farlo: 1/1000 di miliardo in urto protone-protone ! dobbiamo far scontrare tantissimi protoni..
2. Valore della massa: ignoto, ma sappiamo che E = mc2 ! dobbiamo mettere tanta energia in un punto…
3. Decade in varie particelle tipo fotoni, elettroni, muoni… ! dobbiamo costruire un rivelatore di particelle che misuri
tutto
! Quindi:
! Dobbiamo costruire una macchina che acceleri moltissimi protoni, ad un energia molto alta, e dobbiamo costruire un rivelatore che possa misurare tutto quello che viene creato nell’urto.
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Gli acceleratori di particelle
• le particelle vengono accelerate ad energie molto elevate
• le si fa urtare tra loro o contro bersagli esterni
• l’energia liberata produce nuove particelle (E=mc2)
Gli acceleratori sono di 2 tipi:
• Circolari: le particelle girano più volte in un anello, prima di collidere • Lineari: le particelle percorrono una sola volta l’acceleratore da un’estremità all’altra e collidono su un bersaglio esterno
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I rivelatori di particelle
• le particelle prodotte nelle collisioni lasciano “tracce” che vengono “fotografate” permettendo la ricostruzione di ciò che è successo negli urti
• i rivelatori permettono di identificare le particelle prodotte, definendone la massa, la carica, la velocità…
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I componenti degli acceleratori
Campi elettrici per accelerare le particelle
- +
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Campi magnetici per curvare le particelle e mantenerle su orbite definite
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I centri di ricerca: il CERN Gli esperimenti di fisica delle alte energie si fanno in centri di ricerca. Uno dei principali e’ il CERN di Ginevra
Centro Europeo di Ricerca Nucleare • È il più grande laboratorio al mondo per la ricerca nel campo della fisica delle particelle. • fornisce i mezzi agli scienziati per le loro ricerche:
• Al CERN si fa ricerca di base (“pura”), con lo scopo di imparare di più riguardo al nostro Universo.
• Le eventuali applicazioni possibili e i benefici per la società arrivano durante la costruzione, con lo sviluppo di nuove tecnologie.
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Come si accelerano le particelle?
1) I protoni sono ottenuti “strappando” elettroni a atomi di idrogeno.
2) I protoni sono iniettati nel PS booster a 50 MeV dal Linac2 e accelerati a 1.4 GeV 3) passano al PS e sono accelerati fino a 25 GeV
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Come si accelerano le particelle?
5) passano all’LHC dove possono essere accelerati fino a 7 TeV (filling time ~ 4 minuti, fase di accelerazione ~ 20 minuti)
4) passano all’SPS dove raggiungono 450 GeV
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Strategia di rivelazione
FOTONI
Camere di tracciamento
Calorimetro elettromagn.
Calorimetro adronico
Rivelatore per muoni
ELETTRONI
MUONI
PIONI, PROTONI
NEUTRONI
Rivelatori traccianti: Per ricostruire tracce lasciate da particelle cariche
Rivelatori per muoni: Rivelano i muoni, particelle molto penetranti
Calorimetri: Misurano l’energia rilasciata da particelle Cal. elettromagnetici " per sciami da fotoni, elettroni Cal. adronici " rivelano sciami adronici
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LHC: la macchina dei record
Il tubo nel quale corrono le particelle è più
vuoto dello spazio nel sistema solare, è
simile allo spazio interstellare
È il più potente microscopio mai fatto,
permette di vedere le cose più piccole
mai viste
Uno dei posti più freddi dell’universo: i suoi
magneti sono a -271 gradi…
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LHC: la macchina dei record
È il posto più caldo dell’universo: la
temperatura degli scontri è 1 miliardo di
volte il Sole…
Produce 1000 Gigabyte di dati ogni
secondo
Ci sono circa 1 miliardo di scontri protone-protone
ogni secondo..
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CERN-LHC
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Abbiamo trovato il bosone di Higgs?
il 4 luglio 2012….
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Coppie di fotoni Se le coppie di fotoni: sono casuali, allora la loro massa non ha un valore fisso.
vengono dal decadimento dell’Higgs, allora hanno tutte la stessa massa: Mγγ = MHiggs
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Cosa può capitare? Che si vede un picco in più
In questo grafico si vede il background ed il segnale della nuova particella:
Stoccolma!!!!, premio Nobel 2014
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Ci sono altre particelle?
Il modello standard delle particelle prevede il bosone di Higgs, e parallelamente la scoperta della supersimmetria (o di qualche cosa di simile)
La “Supersimmetria” dice che ogni particella esiste in due stati: fermionica che bosonica.
Misurate Ipotizzate
Abbiamo trovato altre particelle?
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Forse si….
Massa di due fotoni
Nu
me
ro d
i eve
nti
misu
rati
Linea rossa: quello che sappiamo già
Punti neri: eventi misurati
Perché ci sono più eventi qui?
Magari una nuova particella????
Magari andiamo a Stoccolma di nuovo ……
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Digressione: cos’è la gravità? Come fanno i pianeti e le stelle ad attrarsi? Per facilità, ci viene detto che la gravità è una forza, ma in realtà non è vero: gli oggetti distorcono lo spazio, e quelli più piccoli girano attorno al cono seguendo linee geodesiche, Lo spazio è pieno di “buche”, formate da buchi neri e stelle massive
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Come si formano le onde gravitazionali?
Le onde gravitazionali sono una serie di contrazioni ed allungamenti
dello spazio in successione, che si creano quando due oggetti molto
massivi girano in tondo
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Come si misurano le onde gravitazionali?
Se lo spazio diventa più corto e poi più lungo, è difficile misurarlo:
se misuriamo la lunghezza di un oggetto, sia l’oggetto che il metro di
contraggono….
Il problema è che il metro si
accorcia nello stesso modo
della carota: misura sempre la
stessa lunghezza..
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Si deve usare la luce! Se lo spazio diventa più corto, la luce ci mette meno tempo a
percorrerlo: la luce viaggia sempre alla stessa velocità
Paragoniamo quindi il tempo su due percorsi perpendicolari
Onda
Questo braccio diventa più corto
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Come si rivelano le onde
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Virgo, in Toscana
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Conclusioni
I problemi irrisolti in fisica delle particelle portano alla costruzione
di rivelatori di particelle fatti che usano molti tipi diversi di
tecnologie
La costruzioni di questi rivelatori è un arte che si tramanda
nell’istituto nazionale di fisica nucleare (INFN), e si basa
sull’apporto continuo di nuove persone che propongono nuove
idee.
Studiate fisica, e venite a costruire i rivelatori del futuro
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Storia degli acceleratori (1)
I primi acceleratori sfruttano campi statici, con differenze di potenziale pari a quelle tra la terra e una nuvola prima di un fulmine (10-20 MV)
Per aumentare l’energia raggiungibile, si costruirono i primi acceleratori lineari " invece di un’unica differenza di potenziale si accelerano le particelle attraverso diversi stadi " per raggiungere energie elevate bisogna, pero’, costruire macchine lunghissime…
Dagli anni ‘30 in avanti, sono state sviluppate diverse tecniche per accelerare particelle, arrivando ad energie sempre piu’ elevate.
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Storia degli acceleratori (2)
Il piu’ grande ciclotrone del mondo (costruito negli anni 70 a TRIUMF, Canada) ha un diametro di 18m e accelera p fino a 520 MeV
Il passo successivo è il sincrotrone, dove i campi elettrici e magnetici sono variabili, in modo da far seguire alle particelle traiettorie circolari. Di nuovo sono il raggio della macchina e i campi magnetici a determinare l’energia raggiungibile
Il primo acceleratore circolare (ciclotrone) venne costruito da Lawrence (~10cm di diametro, accelerava protoni a 80000 eV). La dimensione dell’acceleratore determina la massima energia raggiungibile.
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Storia degli acceleratori (3)
Diverse tecniche sono state sviluppate per accelerare particelle, raggiungendo energie sempre piu’ elevate
In meno di 100 anni l’energia raggiungibile e’ aumentata di un fattore ~1011
Predizione
Scoperta Higgs:
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I componenti degli acceleratori
I principali componenti di un acceleratore sono:
Cavità a radiofrequenza: servono ad accelerare le particelle. Sono poste a intervalli regolari lungo l’acceleratore. Ogni volta che una particella attraversa il campo elettrico in una cavita’, parte dell’energia dalle onde radio e’ trasferita alle particelle
Il tubo a vuoto: e’ un tubo all’interno del quale si muovono le particelle del fascio. Il vuoto e’ necessario per minimizzare le interazioni tra il fascio ed eventuali molecole di gas.
Magneti: si utilizzano diversi tipi di magneti, con funzioni differenti. Magneti dipolari sono utilizzati per far muovere le particelle lungo una traiettoria circolare. Magneti quadripolari sono utilizzati per focalizzare il fascio (come una lente focalizzante).
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Utilizzo degli acceleratori
Principali settori applicativi dei 15000 acceleratori nel mondo
~ 60% " industria ~ 35% " medicina ~ 5% " ricerca di base
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