20151119 un velo di particelle minutissime
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Anche se negli ultimi cento anni ci siamo spinti sempre pi湛 in profondit nello studio delle particelle e subatomiche, molte domande rimangono ancora senza risposta: che cosa 竪 la massa? perch竪 l'universo 竪 fatto di materia e non di antimateria? cosa 竪 successo nei primi istanti dopo il big-bang? Nel settantesimo anniversario dei terribili bombardamenti di Hiroshima e Nagasaki, questa lezione traccia in modo leggero il percorso ed i problemi della fisica dellinfinitamente piccolo, guardando al suo fascino, la sua utilit ed i suoi aspetti problematici. Diceva Calvino:Oggi ogni ramo della scienza sembra ci voglia dimostrare che il mondo si regge su entit sottilissime: come i messaggi del DNA, gli impulsi dei neuroni, i quarks, i neutrini vaganti nello spazio dall'inizio dei tempi.
20151119 un velo di particelle minutissime
- 1. Francesco Forti INFN e Universit di Pisa Francesco.Forti@pi.infn.it Un velo di particelle minutissime La fisica delle particelle tra ricerca di base, energia nucleare, applicazioni
- 2. Leggerezza ≒ Oggi ogni ramo della scienza sembra ci voglia dimostrare che il mondo si regge su entit sottilissime: come i messaggi del DNA, gli impulsi dei neuroni, i quarks, i neutrini vaganti nello spazio dall'inizio dei tempi... ≒ Non 竪 una melanconia compatta e opaca, dunque, ma un velo di particelle minutissime d'umori e sensazioni, un pulviscolo d'atomi come tutto ci嘆 che costituisce l'ultima sostanza della molteplicit delle cose. F.Forti - Un velo di particelle minutissime 2
- 3. Perch辿 ? Scala delluniverso Di che sto鍖a siamo faEi ? Materia e antimateria Storia delluniverso dal Big Bang F.Forti - Un velo di particelle minutissime 3 Perch辿 si studia la 鍖sica delle particelle ? hEp://scaleofuniverse.com/ hEp://www.particleadventure.org/history-足universe.html
- 4. Scala delluniverso F.Forti - Un velo di particelle minutissime 4
- 5. Particelle Dunque 竪 pur di mestier che la natura D'invisibili corpi il tutto formi. Ma non creder per嘆 che l'universo Sia pieno affatto. In ogni cosa il v担to Misto 竪 co' corpi F.Forti - Un velo di particelle minutissime 5
- 6. Di che sto鍖a siamo faEi ? Leterna ricerca dei costituenti fondamentali ≒ 1800: atomi, tavola periodica ≒ 1897: elettrone (Thomson, Nobel 1906) ≒ 1919: protone (Rutherford, aveva gi il Nobel 1909) ≒ 1932: neutrone (Chadwick, Nobel 1935) ≒ 1967: quarks (Kendall, Friedman & Taylor, Nobel 1990) Hanno carica frazionaria Esistono tre generazioni F.Forti - Un velo di particelle minutissime 6 QUARKS
- 7. Tre generazioni ? ≒ Per fare il nostro mondo bastano due quark e un leptone o uud = protone o udd = neutrone o elettrone ≒ Perch辿 ci sono le altre generazioni ? ≒ Da cosa sono determinate le masse ? ≒ Riusciamo a spiegare il cosmo ? ≒ Domande cruciali massa Bosone di Higgs Modello Standard delle Interazioni Fondamentali F.Forti - Un velo di particelle minutissime 7
- 8. Materia e antimateria ≒ Dirac predisse lesistenza dellanti-materia o A partire da un modello matematico ≒ 1932: Scoperto il positrone (=anti-elettrone) o Nei raggi cosmici ≒ 1955: scoperto lanti-protone o Prodotto in un acceleratore a Berkeley. ≒ Ad ogni particella corrisponde una anti- particella o Stessa massa o Carica opposta Una (quasi) perfeEa simmetria tra materia ed antimateria F.Forti - Un velo di particelle minutissime 8
- 9. Materia ed energia ≒ Einstein aveva capito lequivalenza tra materia ed energia. ≒ Le ordinarie particelle sono stabili e non si trasformano in energia ≒ Ma se materia ed anti-materia si incontrano e+ e-足 F.Forti - Un velo di particelle minutissime 9
- 10. Ma dov竪 鍖nita lantimateria ? ≒ Se al momento del Big Bang si sono create uguali quantit di materia ed antimateria, ≒ Perch辿 nel nostro mondo c竪 solo materia ? ≒ Lantimateria 竪 altrove ? No, le osservazioni del cosmo lo escludono. ≒ Materia e antimateria non sono perfettamente simmetriche Violazione della simmetria di CP F.Forti - Un velo di particelle minutissime 10
- 11. Simmetria di CP ≒ Per trasformare particelle in anti- particelle dobbiamo invertire la carica (C), ma anche fare una riflessione nello specchio (P) CP. ≒ Una violazione della simmetria di CP (cio竪 una differenza tra materia ed antimateria) 竪 prevista nel modello standard o Scoperta da Cronin e Fitch nel 1964 per i mesoni K o Scoperta dagli esperimenti Babar e Belle nel 2001 per i mesoni B Ma Sakharov nel 1967 dimostr嘆 che quantitativamente la asimmetria di CP del modello standard NON 竪 sufficiente a giustificare labbondanza di materia F.Forti - Un velo di particelle minutissime 11
- 12. Tante domande ≒ Perch辿 ci sono tre generazioni di quark e leptoni ? ≒ Da cosa sono determinate le masse ? ≒ Qual 竪 la sorgente di asimmetria materia antimateria nelluniverso ? ≒ Ma anche: o Di cosa 竪 fatta la materia oscura o Che cos`竪 lenergia oscura delluniverso F.Forti - Un velo di particelle minutissime 12
- 13. Storia dellUniverso F.Forti - Un velo di particelle minutissime 13
- 14. Piccole 鍖uEuazioni crescono Il cielo visto da Fermi-足Glast F.Forti - Un velo di particelle minutissime 14
- 15. TuEo in un punto Si capisce che si stava tutti l狸, - fece il vecchio Qfwfq, - e dove, altrimenti? Che ci potesse essere lo spazio, nessuno ancora lo sapeva. E il tempo, idem: cosa volete che ce ne facessimo, del tempo, stando l狸 pigiati come acciughe? Ho detto 束pigiati come acciughe損 tanto per usare una immagine letteraria: in realt non c'era spazio nemmeno per pigiarci. Ogni punto d'ognuno di noi coincideva con ogni punto di ognuno degli altri in un punto unico che era quello in cui stavamo tutti. Insomma, non ci davamo nemmeno fastidio, se non sotto l'aspetto del carattere, perch辿 quando non c'竪 spazio, aver sempre tra i piedi un antipatico come il signor Pbert Pberd 竪 la cosa pi湛 seccante. F.Forti - Un velo di particelle minutissime 15
- 16. Che cosa ? Particelle pesanti Particelle virtuali Frontiere dellenergia e dellintensit. Decadimenti rari e asimmetrie di CP F.Forti - Un velo di particelle minutissime 16 Che cosa si misura ?
- 17. Particelle pesanti ≒ Lo zoo delle particelle 竪 stato esplorato in lungo e in largo. ≒ La spiegazione alle tante domande si deve nascondere in particelle pi湛 pesanti che ancora non abbiamo scoperto. ≒ Come le possiamo produrre e misurare ? F.Forti - Un velo di particelle minutissime 17
- 18. Particelle virtuali ≒ Principio di indeterminazione di Heisenberg ≒ Non 竪 possibile determinare contemporaneamente ≒ Per un intervallo di tempo infinitesimo si possono creare particelle pesanti dal nulla o Subito dopo vengono riassorbite e scompaiono ≒ Ma lasciano delle tracce, delle orme che possono essere misurate. E t 1 2 } Posizione e quantit di moto Energia (=massa) e tempo F.Forti - Un velo di particelle minutissime 18
- 19. Due corsie ≒ Frontiera dellenergia Aumentare lenergia degli acceleratori per produrre direttamente le nuove particelle ≒ Frontiera dellintensit Aumentare il numero di particelle ordinarie prodotte per studiarle cos狸 in dettaglio da vedere le tracce della nuova fisica F.Forti - Un velo di particelle minutissime 19 N.B.: molti altri esperimenti alla frontiera dellintensit
- 20. Energia/Intensit ≒ Vogliamo osservare una grande nave che passa al largo. Possiamo: o cercare di vederla direttamente con cannocchiale potente. o misurare con grande precisione le onde che arrivano a riva. LHC/Energia BELLE-足II/Intensit F.Forti - Un velo di particelle minutissime 20
- 21. Che cosa si pu嘆 misurare ≒ Bisogna scegliere le particelle giuste: seconda o terza generazione (Fisica del sapore) o Mesoni K, D, B o Leptone ≒ Decadimenti rari o proibiti o Decadimenti che nel modello standard avvengono con probabilt molto bassa o per niente o Le particelle virtuali pesanti possono renderli possili. o Esempio: leptone tau che decade (solamente) in un leptone mu ed un fotone ≒ Violazione del sapore leptonico ! 袖 ? F.Forti - Un velo di particelle minutissime 21 Una probabilt su un miliardo
- 22. Asimmetrie e oscillazioni ≒ Laltalena dei mesoni B ≒ Simmetria stessa probabilit di andata e ritorno. ≒ Asimmetria differenze tra materia ed antimateria Violazione della simmetria di CP ≒ Un po di differenza 竪 predetta dal modello standard (e misurata) NON BASTA ! ≒ Ci possono essere molti effetti dovuti alle particelle virtuali (ondine piccole piccole) DA MISURARE F.Forti - Un velo di particelle minutissime 22
- 23. Quanto scommeEiamo ? Quando cominciammo a scommettere non c'era ancora niente che potesse far prevedere niente, tranne un po di particelle che giravano, elettroni buttati in qua e in l come vien viene, e protoni su e gi湛 ciascuno per suo conto. Io non so cosa sento, come stesse per cambiare il tempo (in effetti s'era messo un po freddo) e dico: - Scommettiamo che oggi la va ad atomi? E il Decano (k) yk: - Ma f il favore: atomi! Io scommetto di no, tutto quello che vuoi. E io: - Scommetteresti anche ix? E il Decano: - Ix elevato a enne! Non aveva finito di dirlo, e gi attorno a ogni protone aveva preso a vorticare il suo elettrone, ronzando. Un'enorme nube d'idrogeno si stava condensando nello spazio. - Hai visto? Pieno d'atomi! F.Forti - Un velo di particelle minutissime 23
- 24. In che modo ? Acceleratori ≒Bersaglio 鍖sso ≒Collisori I rivelatori F.Forti - Un velo di particelle minutissime 24
- 25. Acceleratori A bersaglio fisso: si sparano particelle accelerate su di un bersaglio fermo. Collisori: si accelerano due fasci e si fanno collidere. e+ e ; pp ; pp F.Forti - Un velo di particelle minutissime 25
- 26. Come si accelerano le particelle ? ≒ Il campo elettrico esercita un forza sulle particelle cariche ≒ Un onda elettromagnetica a radiofrequenza che si propaga produce un campo elettrico che si muove con la particella ≒ Per arrivare ad alte energie il trucco 竪 essere sempre sulla cresta dellonda F.Forti - Un velo di particelle minutissime 26
- 27. Primo collisore e+e-足 -足 1961 ≒ Anello di Accumulazione AdA ≒ Energia 0.25 + 0.25 GeV. Frascati Orsay F.Forti - Un velo di particelle minutissime 27
- 28. Adone a LNF -足 1969 ≒ Prima macchina moderna e+e- ≒ Energia 1.5 + 1.5 GeV ≒ Laboratori Nazionali di Frascati F.Forti - Un velo di particelle minutissime 28Frascati
- 29. Spear a SLAC -足 1973 ≒ 3+3 GeV (e+e-) ≒ Soperta della J/= charm- anticharm ≒ Massa 3.1 GeV ≒ Annuncio in contemporanea con BNL ≒ 11 novembre 1974 Be鍖a o sfortuna per Frascati: lenergia di 3 GeV era appena soEo la soglia per produrre la J/ F.Forti - Un velo di particelle minutissime 29Stanford, California
- 30. LEP al Cern -足 1989 F.Forti - Un velo di particelle minutissime 30 45+45 GeV 104.5+104.5 GeV Ginevra, Svizzera
- 31. Da陸ne a LNF -足 1999 F.Forti - Un velo di particelle minutissime 31 0.51 + 0.51 GeV Frascati
- 32. Le due frontiere Energia Intensit F.Forti - Un velo di particelle minutissime 32
- 33. Scala di energia ≒ Fotone di luce rossa: 1 eV o 1eV = 1 elettrone attraverso 1 V = 1.6 x 10-19 J ≒ Massa elettrone = 511 keV = 511.000 eV ≒ Atomo di idrogeno = 1 GeV = 1.000.000.000 eV ≒ Fabbriche di B = 10.58 GeV = 10.580.000.000 eV ≒ Energia a LHC: 13 TeV = 13.000.000.000.000 eV F.Forti - Un velo di particelle minutissime 33
- 34. LHC @ CERN F.Forti - Un velo di particelle minutissime 34Ginevra, Svizzera Lacceleratore pi湛 potente al mondo (13 TeV) in un tunnel di 27 km Large Hadron Collider
- 35. PEP-足II e Babar F.Forti - Un velo di particelle minutissime 35Stanford, California
- 36. KEK-足B e Belle Belle-足II U14'$+%4)!_!P`)%+)>*,*4,.1)`*$$*)/)U-545:% Tsukuba-san !"##" $%$! !"##" ~premer 1 km F.Forti - Un velo di particelle minutissime 36Tsukuba, Giappone
- 37. Rivelatori ≒ Apparati molto complessi ≒ Tecnologie avanzate ≒ Grandi collaborazioni internazionali F.Forti - Un velo di particelle minutissime 37
- 38. Gigantesche cipolle ≒ I vari tipi di particelle danno segnali diversi nei vari strati di rivelatore ≒ Il rivelatore 竪 il risultato di un diffile compromesso tra non disturbare le particelle e ottenere un segnale abbastanza intenso da essere rivelato F.Forti - Un velo di particelle minutissime 38
- 39. BABAR F.Forti - Un velo di particelle minutissime 39
- 40. 2011: il tracciatore al silicio di Babar va al museo ≒ S F.Forti - Un velo di particelle minutissime 40
- 41. Bello, ma serve ? ≒ La ricerca di base risponde ad una esigenza di conoscenza ≒ Ma permette anche di scoprire cose e strumenti che possono essere applicati a migliorare la nostra vita (o purtroppo a peggiorarla). ≒ La grande domanda del nostro tempo e come essere sicuri che la perenne rivoluzione scientifica porti effettivamente benefici a tutti, piuttosto che allargare il divario tra ricchi e poveri. La tecnologia deve essere guidata dalletica se deve fare qualcosa di pi湛 che creare nuovi giocattoli per i ricchi. F.Forti - Un velo di particelle minutissime 41 Freeman Dyson
- 42. Raggi X ≒ Tantissime applicazioni dei raggi nella nostra societ F.Forti - Un velo di particelle minutissime 42
- 43. Serve lanti-足materia ? ≒ Prodotta normalmente dai raggi cosmici, da certi decadimenti radioattivi, e negli acceleratori. ≒ Si pu嘆 anche usare senza esplosioni. ≒ Ad esempio la PET photon detector photon detector Si inietta una sostanza radioattiva che emette positroni Si misurano i fotoni che risultano dalla annichilazione elettrone- positrone F.Forti - Un velo di particelle minutissime 43
- 44. Fissione nucleare ≒ La scoperta che un neutrone lento pu嘆 spezzare un nucleo di Uranio ha portato alla possibilit di costruire reattori (e bombe) F.Forti - Un velo di particelle minutissime 44
- 45. Ricerca fondamentale Lesplorazione delle frontiere della conoscenza non 竪 solo affascinante, ma anche importantissimo per luomo e la societ. Non si tratta di una curiosit accademica, ma del solo modo che esista per scopire cose veramente nuove, inaspettate, e fornire allumanit gli strumenti concettuali per la tecnologia del futuro. Nel breve termine genera uninfinit di ricadute industriali e tecnologiche, avvicina le nazioni nella collaborazione a fini scientifici, e soprattutto aiuta a formare e a far crescere le generazioni future. F.Forti - Un velo di particelle minutissime 45
- 46. Limmaginazione 竪 pi湛 importante della conoscenza. 46 GRAZIE DELLATTENZIONE F.Forti - Un velo di particelle minutissime