Cos'è la Fisica delle Particelle Elementari cosa sappiamo e cosa manca
è la scienza che indaga sui costituenti ultimi della materia e sulle forze fondamentali
oggi abbiamo una teoria predittiva ma con qualche punto debole
All'estremo dell'infinitamente piccolo
La Fisica delle Particelle Elementari
... ma c'è qualcosa in più dall'osservazione dei raggi cosmici (100 particelle /m2/s) e dallo studio di collisioni di particelle elementari nel laboratori deduciamo l'esistenza di 2 famiglie di particelle di materia (ciascuna di spin 1/2)
•
quarks carica elettrica 2/3 -1/3
leptoni carica elettrica 0 -1
si osservano solo in stati aggregati a carica elettrica intera e senza colore
massa →
massa → ogni quark esiste in tre colori: rosso, verde, blu
i neutrini hanno massa quasi nulla
... inoltre • per ogni particella esiste una anti-particella con proprietà analoghe (stessa massa, stesso spin) ma: • carica elettrica opposta • colore (per i quarks) opposto: anti-rosso, anti-verde, anti-blu carica di colore =
Il neutrone è un aggregato udd carica elettrica 0 = 2/3 -1/3 -1/3
spin = momento angolare intrinseco Il protone è un aggregato uud carica elettrica 1 = 2/3 + 2/3 -1/3
una freccia associata ad ogni particella che si somma “vettorialmente”
L’interazione tra le particelle
Riassumendo le particelle elementari 10-3m
goccia d’acqua
Forze conosciute: Elettromagnetica
10-9m
molecola d’acqua
10-10m elettrone
Nucleare forte Nucleare debole neutra
atomo di idrogeno fotone
10-15m gluone
protone
< 10-18m
quark
?
Nucleare debole carica
Materia conosciuta
Il Modello Standard • Nel 1967 S. Weinberg e A. Salam formularono una teoria unificata dell’interazione elettro-magnetica e di quella debole (e con loro indipendentemente anche S. Glashow). • La mediazione dell’interazione e.m. è affidata al fotone (γγ), neutro e senza massa, quella dell’interazione debole richiede invece tre “bosoni” massivi (W+, W–, Z0). • Per spiegare la massa non nulla dei suddetti bosoni, la teoria prevede il meccanismo di Higgs (rottura spontanea della simmetria), da attribuire a un altro bosone neutro, l’Higgs (H) ricercato per oltre 40 anni da tutti gli esperimenti, ed oggi finalmente scoperto.
Il Modello Standard la predittività • Un potente formalismo matematico per descrivere le particelle e le interazioni note • definiti – uno stato iniziale (2 particelle prima dell'urto) – un possibile stato finale (particelle dopo l'urto) – probabilità calcolabile con Modello Standard + cinematica relativistica (conservazione di energia e momento)
Ma il Modello Standard basta? • Il Modello Standard fino ad oggi ha retto a un gran numero di verifiche sperimentali, pur dovendosi basare su ben 19 parametri liberi. Eppure ancora non risponde a parecchie domande: – Qual è l’origine delle masse delle particelle? Perché mt così alta? – Perché elettrone e protone hanno in modulo la stessa carica? – Perché ci sono tre famiglie di leptoni leggeri, e altrettante di quark? – Il bosone di Higgs esiste? – Perché nell’universo c’è tanta più materia che antimateria? – Le forze elettrodebole e forte sono unificabili alla gravità? – …?
• Il Modello Standard potrebbe essere solo una parte di una teoria più grande, rivelabile solo a energie maggiori di quelle viste fino ad oggi (dell’ordine di qualche TeV) 11
Oltre il Modello Standard • I fisici negli ultimi decenni hanno formulato vari modelli teorici per rispondere alle questioni irrisolte, tra i quali… • • • •
La Supersimmetria (SUSY SUSY), una tra le più accreditate Nuovi bosoni vettori massivi (W W′ / Z ′ ) Particelle esotiche longlong-lived I micro micro-buchi neri
• Le Extra Extra-Dimensions X q
Z′
q
Y M. Bianco
Y
Graviton (G) p
X
Y X
p
Recoil
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Ă&#x2C6; necessario un acceleratore di particelle per poter investigare la regione multi-TeV
Gli esperimenti agli acceleratori di particelle
Gli acceleratori: producono in condizioni â&#x20AC;&#x153;controllateâ&#x20AC;? urti fondamentali tra particelle elementari
Gli esperimenti agli acceleratori: la macchina fotografica digitale per registrare lo stato finale prodotto nell'urto
Acceleratori: principi di funzionamento
Campo elettrico: accelera
Campo magnetico: curva Il primo ciclotrone fu Raggio di costruito da E. Lawrence ciclotrone a Berkeley nel 1930
m⋅v R= q⋅B
• Particelle α decadimenti radioattivi: 1÷5 MeV • 1939: ciclotrone 1.5 m di diametro: 19 MeV • Massima energia di un ciclotrone: 25 MeV • Passo successivo: sincrotrone 15
Acceleratori ed esperimenti • Gli acceleratori possono essere: – Lineari – Circolari • Si caratterizzano per: – Tipi di particelle accelerate nei fasci (elettroni, positroni, protoni, antiprotoni, etc.) – Luminosità istantanea L = f n1n2 / 4πσxσy _
– Energia √s = Ecm nel centro di massa (definisce quali processi sono ottenibili fino a quella energia) • Il numero di eventi prodotti in un tempo ∆t per un processo avente sezione d’urto σ è: N = L σ ∆t ∆t
• Gli esperimenti ai collider hanno tipicamente simmetria cilindrica e si sviluppano attorno al punto di collisione 16
Collider circolari Luminosità L = ____________ f n1 n2
4πσ πσxσy
LEP Luminosità, L Energia nel centro di massa, Ecm
≤1032 cm-2s-1 ≤ 210 GeV
LHC ≤ 1034 cm-2s-1 ≤14 TeV
Tipo di particelle
e+e-
pp
Tempo tra 2 collisioni dei fasci
22µs
25ns
Particelle in un pacchetto
45x1010
10.5x1010
il Large Hadron Collider
L'acceleratore di particelle piĂš grande e potente mai realizzato dallâ&#x20AC;&#x2122;uomo
Nel 2001 il tunnel di LEP Large Electron-Positron diventa il tunnel di LHC Large Hadron Collider
27 km di circonferenza 100 m sotto il suolo
Il complesso degli acceleratori
1 eV è l'energia cinetica acquisita da un eaccelerato da una differenza di potenziale di 1 V
L’anello di LHC Protoni di E = 7 TeV percorreranno LHC 11 245 volte al secondo a una velocità pari al 99.99% della velocità della luce.
LHC è collocato in un tunnel 100 m sotto il suolo tra Francia e Svizzera
600 milioni di collisioni al secondo Il sistema criogenico più grande al mondo: tutti i magneti operano alla temperatura di 271.3°(1.9 K) mantenuta grazie a 60 tonnellate di elio liquido I fasci circolano in tubi a vuoto spinto: pressione interna di LHC è 10-13 atm, 10 volte meno della pressione sulla luna In una collisione dei fasci di protoni, in uno spazio minuscoli si genera una temperatura 100 000 volte più alta di quella al centro del Sole
La circonferenza di LHC è pari a 26 659 m, con 9300 magneti lungo il tunnel
Quanto costa?
Lo stato del Modello Standard Le verifiche di precisione a LEP LEP1 + SLC
e+e- a Ecm = 91 GeV dal 1989 al 1995
LEP2
e+e- a Ecm = 130-210 GeV dal 1996 al 2000
La ricerca dei blocchi mancanti a Tevatron a LHC
pp a Ecm = 2 TeV
pp a Ecm = 7 TeV
dal 1990 al â&#x20AC;Ś
dal 2009 al â&#x20AC;Ś
Osservazioni in accordo con le predizioni teoriche al livello del 0.1%
I processi di fisica osservabili a LHC
8-06-2009
•
Le sez. d’urto dei processi interessanti maggiori rispetto a tutti gli acceleratori in funzione – Processi di interesse per le calibrazioni • W con decadimento leptonico – Processi di interesse fisico • Produzione del bosone di Higgs
•
Elevato numero di collisioni – Separazione dei bunch crossing ~25 ns ~40 MHz (frequenza delle collisioni dei fasci) – ~23 interazioni pp sovrapposte x bunch crossing • ~1 GHz di eventi nel rivelatore
Nozioni sul Trigger ed il Trigger di ATLAS
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L’esperimento ATLAS ad LHC
L’apparato strumentale più grande ad LHC
Rivelatori ai collider Dispositivi che misurano gli effetti di interazioni di interazioni delle particelle dello stato finale con gli atomi del mezzo attraversato: carica di ionizzazione luce Segnali indotti sono ~sempre segnali elettrici digitalizzati N bit / canale di lettura
Identificano la natura (massa) delle particelle Misurano il momento delle particelle cariche nel rivelatore di tracciamento dalla curvatura delle traiettorie in campo magnetico
Obiettivo: ricostruire lo stato finale (alcune sue proprietĂ )
Misurano lâ&#x20AC;&#x2122;energia delle particelle neutre nei calorimetri Identificano i muoni nei rivelatori piĂš esterni
ATLAS a LHC
Lâ&#x20AC;&#x2122;installazione in caverna: un grande puzzle
Una cipolla per esperimento
Come è fatto ATLAS
Camere a muoni del barrel
Calorimetro in avanti Camere a muoni degli endcaps
Bobine del toroide del barrel