La Rivoluzione della Fisica Moderna
ovvero di che cosa siamo fatti e come interagiamo con le forze
dell’Universo
Fabrizio Murtas([email protected])
Laboratori Nazionali di Frascati
Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
Frascati 20-11-2008
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Il Modello Antico
AriaTerra Acqua Fuoco
Costituenti materiali Forze
Sin dall’antichità l’umanità ha cercato di capire quali fossero i costituenti fondamentali dell’universo
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AtomiDopo circa 2000 anni (1900 dC), questa era la visione della materia
L’organizzazione di tutti i tipi di atomi in una Tabella Periodicaè di fatto il suggerimento che esiste una struttura più sempliceche ne governa la regolarità.
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• Nel 1897 Thompson scopre l’elettrone • Se l’elettrone è carico negativamente questo implica
– L’atomo non è elementare,
– Ci deve anche essere una carica positiva.
Rutherford: il primo fisico delle alte energie
elettroni
carica positivadistribuita
Struttura dell’atomo
La struttura della materia puo’ essere indagata con fasci di particelle
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Fine ‘800 L’atomo
Dagli atomi …..
Inizio ‘900Il modello atomico planetario
Atomo
Tutta la materia e’ composta di :
• Elettroni
• Protoni
• Neutroni
Tutto il resto è vuoto !!!
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Solo 3 particelle elementari ?
Grazie a nuovi acceleratori ed a rivelatori di particellecome la Camera a bolle, il numero di particelle elementari alla fine degli anni ’50 era notevolmente aumentato
K-K0
K+
e
p
n
e
K0
Dov’è l’ordine ?
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Nuova regolarità• Nel 1961 Gell-Mann & Ne’eman fecero per le particelle
“fondamentali” cio che Mendeleev aveva fatto 100 anni prima per gli atomi “fondamentali”.
n p
- 0
K0 K+
K- K0
S = +1
S = 0
S = -1
S = 0
S = -1
S = -2
S = -3
Q = +1
Q = -1
Q = 0
Q = -1
Q = 0
Q = +1
Q = +2
Ci deve essere una struttura sottostante
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Fine ‘800 L’atomo
Dagli atomi ai quark
Inizio ‘900Il modello atomico planetario
Anni 30 La struttura del nucleo atomico
(protone e neutrone)
Anni 60 La struttura subnucleare a quark
AtomoProtone
… il protone ed il neutrone non sono elementari !!!
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I Quarks
Protone Q= +2/3 +2/3 -1/3 = 1
u u
d
u d
d
I quarks hanno carica frazionaria !
Neutrone Q= +2/3 -1/3 -1/3 = 0
Quark up Q = +2/3
Quark down Q = -1/3
u s
d
Particella “strana”
Q = +2/3 -1/3 -1/3 = 0
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La scoperta dell’antimateria
10
Nel 1932 il fisico americano Anderson, studiando i raggi cosmici, scoprì una particella che si comportava esattamente come un elettrone, ma con carica elettrica positiva.
Carl David Anderson
(1905 – 1991)
Dopo la scoperta si riuscì anche a produrli in laboratorio bombardando piastre metalliche con fotoni di energia h > 1 MeV .Questo perchè ,entrando in collisione con i nuclei, i fotoni sparivano e davano vita a coppie e+ e. Essendo la massa dell’elettrone 0,5 MeV/c2 il fenomeno si verifica solo sopra la soglia.
e+
spin + 1/2
Si cominciò quindi a pensare che anche il protone e il neutrone potessero avere un’antiparticella. Grazie alla costruzione dei primi moderni acceleratori di particelle nel 1955 fu scoperto l’antiprotone da Emilio Segrè e Owen Chamberlain, e nel 1956 l’antineutrone da Bruce Cork.
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Collisione materia antimateria
muonemuone
antimuoneantimuone
E = m c2
antielettroneantielettrone elettroneelettrone
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AdA: Anello di Accumulazione
F r a s c a t i 1961
Il prototipo dei collisori materia-antimateria
1 m1 m
Bruno Touschek
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ee++ ee--
--
++
Materia e Antimateria
Con i collisori si raggiungono energie molto elevate con possibilità di studiare asimmetrie tra materia e antimateria.
++
--
ee--
ee++
E = 2me c2E = 2m c2E = 2m c2
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I discendenti di AdA nel mondo
27
28
29
30
31
32
33
34
0,1 1 10 100 1000
Energia (GeV)
Lu
min
osi
tà (
log) Quark s
Quark b
I collisori elettroni - antielettroni
ADONE LEP al Cern DAFNE DCI
ACO
ADONE
VEPP 2
DAFNE
ADONE II
BEPC
SPEAR
VEPP 4
CESR
KEK B
DORIS
PEPII
PETRA
PEP
LEP I
LEP II
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Famiglie di Famiglie di
materiamateria
tau
-neutrino
bbottom
ttop
IIIIII
muone
-neutrino
sstrange
ccharm
IIII
eelettrone
ee-neutrino
ddown
upu
I I
Lep
toni
L
epto
ni
Qua
rks
Qua
rks
Costituenti materiali
… ma da cosa è composta la materia
…. ovvero la materia
è composta da 12 fermioni
suddivisi in tre famiglie
La Materia stabile
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Le famiglie “si parlano”
ccharm
stranges
ttop
bbottom
ddown
uup
Se così fosse avremmo un Universocomposto da particelle appartenenti a tutte e tre le famiglie...Universo estremamente complicato !
Interazione debole dei fermioni
Questa “rotazione” e’ descritta dalla matrice di Cabibbo-Kobayashi-Maskawa
Le particelle dotate di Top e Charm hanno una vita media più piccola rispetto alle particelle dotate di Bottom e Strange.Misurando i decadimenti queste particelle di fatto misuriamo gliangoli di questa rotazione (il primo fù l’angolo di Cabibbo)
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… ma quante famiglie ci sono ?
Massa Z (=E/c2)
Num
ero
di d
ecad
imen
ti Z
Larghezza (E) dello Z
Solo tre famiglie
Misura di alta precisione fattaal CERN con il collisore LEP
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neutrino
muone
ccharm
stranges
....
ttop
tau
neutrino
bbottom
eelettrone
eneutrino e
ddown
uup
..
I Fermioni : le masse
1 Gev protone
0.003
0.006
0.0005
0
1.5
0.12
0.105
0 0
4
1.8
175QUARKS
LEPTONI
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neutrino
muone
ccharm
stranges
ttop
tau
neutrino
bbottom
eelettrone
eneutrino e
ddown
uup
I Fermioni : la carica elettromagnetica
1 carica dell’elettrone (oprotone)
+ 2/3
- 1/3
- 1
0
+ 2/3
- 1/3
- 1
0 0
- 1/3
- 1
+ 2/3QUARKS
LEPTONI
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Anti-materia : tutte le cariche opposte !
QUARKS
LEPTONI
e+positrone
uup
ddown
eneutrino e
muone
ccharm
stranges
neutrino
tau
bbottom
neutrino
ttop
- 2/3
+ 1/3
+ 1
0
- 2/3
+ 1/3
+ 1
0 0
+ 1/3
+ 1
- 2/3
… e le forze ?
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Le forze fondamentali
Forza Intensità relativa
Gravitazionale 1
Debole 1029
Elettromagnetica 1040
Forte 1043
Vi tiene seduti sulle sedie
Decadimenti radioattivi
Tiene insieme elettroni e protoni
Tiene insieme i nuclei
Ciascuna forza, ha una particella associata ad essa, un bosone di gauge, che permette alla forza di agire a distanza. Ad esempio per la forza elettromagnetica la teoria è l’elettrodinamica quantistica QED e il bosone di gauge è il fotone.
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I Bosoni: le masse
ggluone
fotone
Z bosone
W bosone
00 80.4 GeV 91.2 GeV
1 GeV protone
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Materia e campi di ForzaVediamo ora come interagiscono le particelle di materia (o antimateria)
tempo
Gli elettroni si scambiano un bosone: il fotone (il mediatore di forza ).
e-
e-
e-
e-
Questi diagrammi non sono soltanto rappresentazioni grafiche ma autentiche formule matematiche che ci permettono di calcolare l’intensità dell’interazione. Grafici di Feynman
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Scoperta del neutrinoNel 1896 Bequerel scopre la radioattività naturale: alcuni materiali come l’Uranio o il Radio producono raggi , o .Nel 1930 Pauli fa l’ipotesi che insieme all’emissione di vengano emesse particelle neutre di massa molto piccola : i neutrini.
n
u u
d
Con il modello a quark ...
even
t i
energia di e-
m0
pe-
u d
d
e-
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Il bosone W
Ma come avviene l’interazione debole ?
tempo
W
u
u d
e
d
e
Il bosone W interagendo con il fermione ne cambia il “sapore”
La costante di accoppiamento del fermione al W è molto vicina ad della QED.
Quello che rende debole l’interazione è il fatto che il bosone W ha una massa molto elevata (probabilità più bassa di emissione)
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Interazioni del neutrino
neutrone
W
e e---
d uud
ud
protone
La sezione d’urto che si ricava da questo diagramma di Feynmann e’ di 10-38 cm2
Esperimento CHORUS al CERN
Diametro dell’atomo 10-8 cm
Diametro del nucleo 10-13 cm
Quindi i neutrini interagiscono pochissimo con la materia !
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Lunga vita al soleGrazie alla forza debole la combustione dell’idrogeno in elio e’ sufficientemente lenta da dare al sole una vita di 10 Miliardi di anni
Si potrebbe dire che lo sviluppo delle forme di vita nell’universo e’ possibile grazie all’esistenza della forza debole.
protone neutrone
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Esperimento ALEPH 1988-2001
Piccoli Big Bang al Lep
e+ e- e+ e-e+ e- + -e+ e- + -
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Cromo Dinamica Quantisitca• Dato il grande successo della QED, negli anni ‘70 si
sviluppò una teoria quantistica delle interazioni forti che venne chiamata Cromo Dinamica Quantisitca (QCD). Questa teoria include un nuovo bosone di gauge chiamato gluone.
• La “carica” delle interazioni forti è chiamata colore, e ciascun quark ha tre possibili valori di colore: rosso verde e blu. Questo tipo di interazione è mediata da un gluone.
La particella così composta (barione) risulta “bianca”
Quark “verde”
Quark “rosso”
Gluone “rosso-antiverde”
La particella così composta (mesone) risulta “bianca”
Quark “anti-verde”
Quark “verde”
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Perchè non si vedono i Quark ?• La forza forte fra i quarks decresce con il
decrescere della distanza (libertà asintotica) e aumenta alle grandi distanze
• Questo e’ ciò che succede quando si cerca di estrarre un quark da un barione :
L’Energia nel campo aumenta fino a ...
raggingere E=Mc2
(M=m+m) per produrre una coppia di quark e anti-quark
Un quark rimarrà nel barione, mentre l’antiquark si unirà al quark strappato per formare un mesone
protonemesone
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Evidenza della QCDLa QCD mi dice che non posso vedere dei quark liberi. Quindi, cosa succede se provo a far scontrare due protoni ad energie sempre più elevate?
s
p
p
s
p
p
Ma i gluoni possono interagire tra di loro in quanto anche loro sono colorati !!
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e+ e- q q e+ e- q q g
Creazione di quarks al LEP
1 cm
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Z bosone
W bosone
fotone
ggluone
ee
ddown
uup
elettrone
e-neutrino
muone
-neutrino
sstrange
ccharm
-neutrino
tau
b
bottom
ttop
ee
ddown
uup
elettrone
e-neutrino
muone
-neutrino
sstrange
ccharm
-neutrino
tau
b
bottom
ttop
Materia Forze
Contributo dell’INFN
Adone a Frascati 1974Gamma Gamma2
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Z bosone
W bosone
fotone
ggluone
ee
ddown
uup
elettrone
e-neutrino
muone
-neutrino
sstrange
ccharm
-neutrino
tau
b
bottom
ttop
Esperimento UA1 al collisore protone-antiprotone del
CERN di Ginevra
C. Rubbia
Z bosone
W bosone
fotone
ggluone
Materia Forze
Evento con Z°
Contributo dell’INFN
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BosoneBosonedi Higgsdi Higgs
Med
iato
ri d
i For
z eM
edia
tor i
di F
orze
Z bosone
W bosone
fotone
ggluone
Famiglie di Famiglie di
materiamateria
tau
-neutrino
bbottom
ttop
IIIIII
muone
-neutrino
sstrange
ccharm
IIII
eelettrone
ee-neutrino
ddown
upu
I I
Lep
toni
L
epto
ni
Qua
rks
Qua
rks
?
Costituenti materiali Forze
Il Modello Standard
…e l’antimateria ?perche è scomparsa dopo il Big Bang ?
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DAFNE
Asimmetria tra materia e antimateria studiata a Kloe e Dafne a Frascati
1999-2006
… perchè le particelle hanno
massa ?
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Higgs e la massa dei fermioni
Supponiamo di avere un campo di Higgs e facciamoci correre sopra tre particelle ....
Tanto più grande è l’accoppiamento tra il campo di Higgs e la particella,tanto più grande è la massa ad essa associata !
Ma come fa il campo di Higgs a fornire la massa alle particelle ?
..
Raggio di azione
Se volete altri esempi http://hepwww.ph.qmw.ac.uk/epp/higgs.html
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Esiste la particella di Higgs ?
Questo eccesso di eventi ad alta energia ha fatto pensare ad un primo segnale dell’esistenza della particella di Higgs 7 anni fa.
Significanza statistica di “solo” 3.9 sigma, compatibile con un SM Higgs di circa 114 GeV/c2.
Questo segnale lo ha visto solo uno dei quattro esperimenti !
Aleph
Quindi bisogna aspettare qualche anno …
Voi siete qui
Esperimento Atlas
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LHC e il Big Bang
…. alla ricerca del bosone di HIGGS per spigare la massa
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Storia dell’universo
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Il Big BangIl Big Bang
0 secondi
Era della grande unificazione
10-35 sec
L’inflazione spazio-temporale cessa
Si rompe la Grande Unificazione e si distinguono forza
forte ed elettrodebole
Era elettrodebole
1 miliardesimo di sec
Le forze elettrodeboli
si distinguono
Era dei protoni
1 millesimo di sec
I Quark si combinano per formare
Protoni e Neutroni
Era dei Nuclei
100 sec
I Protoni e Neutroni
si combinano per formare
i nuclei di elio
Era della luce e degli atomi
300.000 anni
L’universo diventa trasparente
e si riempie di luce
Formazione delle Galassie
1
Miliardo di anni
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LHC al CERN di Ginevra
ALICE LHC-B
CMS
ATLAS
Apparato Atlas a LHC
Evento simulato di collisione protone-protone
Evento simulato di collisione piombo-piombo
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Esperimento ATLAS al CERN 2007
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Esperimento CMS al CERN 2007
F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFNEsperimento CMS al CERN 2007
…i collisori costano troppo …osserviamo i raggi
cosmici !
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Laboratori sotterranei
Evento raro
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Laboratori sotterranei del Gran Sasso
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Neutrini da supernove
Osservatorio LVD al Gran Sasso
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Gallex al GranSasso
Oscillazione di Neutrini
I neutrini si trasformano durante il lungo viaggio
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ee
ddown
uup
elettrone
e-neutrino
muone
-neutrino
sstrange
ccharm
-neutrino
tau
b
bottom
ttop
Matrice di mescolamento
dei neutrini
Milioni di neutrini al secondo attraverso un
granello di sabbia
Oscillazione di neutrini
Z bosone
W bosone
fotone
ggluone
ee
ddown
uup
elettrone
e-neutrino
muone
-neutrino
sstrange
ccharm
-neutrino
tau
b
bottom
ttop
ee
ddown
uup
elettrone
e-neutrino
muone
-neutrino
sstrange
ccharm
-neutrino
tau
b
bottom
ttop
ee
ddown
uup
elettrone
e-neutrino
muone
-neutrino
sstrange
ccharm
-neutrino
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b
bottom
ttop
ee
ddown
uup
elettrone
e-neutrino
muone
-neutrino
sstrange
ccharm
-neutrino
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ttop
ee
ddown
uup
elettrone
e-neutrino
muone
-neutrino
sstrange
ccharm
-neutrino
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ttop
ee
ddown
uup
elettrone
e-neutrino
muone
-neutrino
sstrange
ccharm
-neutrino
tau
b
bottom
ttop
ee
ddown
uup
elettrone
e-neutrino
muone
-neutrino
sstrange
ccharm
-neutrino
tau
b
bottom
ttop
ee
ddown
uup
elettrone
e-neutrino
muone
-neutrino
sstrange
ccharm
-neutrino
tau
b
bottom
ttop
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Neutrini dal CERN al Gran Sasso
Opera : camera a emulsioni fotografiche
Icarus : camera a immagine in Argon liquido
neutrini prodotti con acceleratori
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Progetto Antares e R&D Nemo
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IeriDomani
Ricerca di antimateria : AMS
Italia, Cina, Germania, Finlandia, Francia, Svizzera, Taiwan, USA
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BosoneBosonedi Higgsdi Higgs
Med
iato
ri d
i For
z eM
edia
tor i
di F
orze
Z bosone
W bosone
fotone
ggluone
Famiglie di Famiglie di
materiamateria
tau
-neutrino
bbottom
ttop
IIIIII
muone
-neutrino
sstrange
ccharm
IIII
eelettrone
ee-neutrino
ddown
upu
I I
Lep
toni
L
epto
ni
Qua
rks
Qua
rks
?
GravitàGravità
il fantasmail fantasma
dell’operadell’opera
Costituenti materiali Forze
La gravità
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Antenna Gravitazionale a Frascati
Per rivelare onde gravitazionali emesse da supernove all’interno della nostra galassia è necessarioraffreddare a pochi millikelvin (~ -273 gradi)grandi cilindri metallici
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Antenne gravitazionali Barre risonanti INFNAuriga a LegnaroExplorer al CERNNautilus a Frascati
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BosoneBosonedi Higgsdi Higgs
Med
iato
ri d
i For
z eM
edia
tor i
di F
orze
Z bosone
W bosone
fotone
ggluone
Famiglie di Famiglie di
materiamateria
tau
-neutrino
bbottom
ttop
IIIIII
muone
-neutrino
sstrange
ccharm
IIII
eelettrone
ee-neutrino
ddown
upu
I I
Lep
toni
L
epto
ni
Qua
rks
Qua
rks
?
Costituenti materiali Forze
Particelle
supersimmetriche
?Gravitone
?
Il Modello Standard
… ma ci serve a qualche cosa tutto
questo?
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Ricadute tecnologiche : Il WWW 1990 : nasce il WWW al CERN
La biblioteca mondiale
F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
La GRID Potenza di calcolo distribuita
MetereologiaElaborazione di immagini da satellite
F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFNImmagini del cervello
Ricadute sulla fisica medica : la PET
Collaborazioni INFN -Policlinico
di Tor Vergata
F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
Bibliografia
QED Richard Feynmann Ed. ADELPHI
Il senso delle cose, Sta scherzando Mr. Feynman! Richard Feynmann, Ed. ADELPHI
La Fisica delle Particelle Luciano Maiani Le Scienze Quaderni n° 103 Settembre 1998
Quarks & Leptons: an intrductory Course in Modern Particle Physics F. Halzen A.D. Martin Ed Wiley
Le Scienze Edizione italiana dello Scientific Americanhttp:www.lescienze.it
Cultura Scientifica
Modello Standard
Trent'anni che sconvolsero la fisica. la storia della teoria dei quantiGamow George, Zanichelli 1966