La ricerca in Fisica delle
Particelle Elementari
Oggi
Italo Mannelli
SNS
La Scienza Moderna e’ nata con Copernico,
Galileo, Newton e Leibniz circa 400 anni or sono.
Le caratteristiche essenziali sono rimaste invariate
Durante questi secoli:
a)La necessita’ di sottoporre le ipotesi alla verifica
sperimentale
b)L’uso della matematica per formulare le teorie
In modo quantitativo
c)La riproducibilita’ dei risultati
d)Il necessario sviluppo degli strumenti per
consentire nuove osservazioni
Piu’specificamente per quanto riguarda lo studio
dei costituenti della materia e delle loro interazioni
e’rimasta fondamentale l’integrazione delle
conoscenze ottenute in laboratorio con quelle
dedotte dalle osservazioni astronomiche
Dopo il grande sviluppo della meccanica classica
nel Settecento , della termodinamica e dell’ elettromagnetismo nell’ Ottocento la sensazione fra un
certo numero di scienzati era che ormai ci fosse
rimasto poco da scoprire in Fisica.
Sensazione certamente erronea se e’vero che il 2005
e’ stato dichiarato ANNO della FISICA per celebrare
le scoperte nell’ ANNO MIRABILIS 1905 da parte
di Einstein :
1) La spiegazione del moto Browniano che confermo’
inconfutabilmente l’ esistenza di MOLECOLE nella
materia
2) La dimostrazione che le caratteristiche sperimentali
dell’effetto foto-elettrico implicano la reale esistenza
di QUANTI di energia elettromagnetica
3) La formulazione del principio di RELATIVITA’
esteso dalla meccanica (Galileo) all’elettromagnetismo
che rivoluziona il concetto di SPAZIO e TEMPO
Gia’qualche anno addietro e’stato stimato che piu’
del 30% di tutte le attivita’ economiche e’ dovuto
all’ utilizzazione di fenomeni governati dalla
MECCANICA QUANTISTICA E RELATIVITA’
(Leon LEDERMAN, Premio Nobel 1988).
Malgrado il grande progresso scientifico e le
straordinarie ricadute sulla vita di tutti, nessuno
ritiene che si sia prossimi a risolvere in linea di
principio tutti I problemi della Fisica.
Ad ogni passo avanti nelle nuove conoscenze sono
sorti NUOVI quesiti e si sono aperti nuovi ORIZZONTI.
In particolare per quanto riguarda la Fisica delle
Particelle elementari e’apparsa sempre piu’ necessaria
e fruttifera la connessione con l’ Astronomia, la
Astrofisica e la Cosmologia.
Il tema unificante di ricerca per il prossimo futuro e’
l’ UNIVERSO QUANTISTICO
Gli esperimenti di fisica delle particelle agli acceleratori
(ad esempio al CERN, FermiLab, SLAC, Futuro
acceleratore lineare) ed in Laboratori sotterranei
(GranSasso, Frejus, Sudbury, Kamiokande, Antartica)
insieme a quelli sui raggi cosmici, sulle onde
gravitazionali(Virgo, Ligo) o utilizando sonde e telescopi
spaziali o terrestri offrono nuove opportunita’ per
scoperte sulla natura fondamentale dell’ Universo
Osservazioni astronomiche, in particolare sulle proprieta'
della radiazione cosmica di fondo, costringono i cosmoghi
ad ammettere che il 95% dell'Universo e' costituito da
MATERIA OSCURA e da una forma di ENERGIA
OSCURA a carattere repulsivo, DIVERSE rispetto a
qualunque cosa osservata anche nei piu' recenti ed avanzati
esperimenti.
Questo significa che si sta aprendo un'era di
scoperte teoriche e sperimentali di straordinaria
importanza alla quale le nuove generazioni di fisici
sono chiamate a dare il loro contributo.
Alcune strade sono gia' indicate: si tratta di percorrerle
per raggiungere un piu' approfondito livello di
comprensione della NATURA.
Il panorama e’troppo vasto per essere riassunto in
qualche ora e pertanto ho pensato di esporvi due
tematiche:
1)Le recenti scoperte e le prospettive della fisica dei
NEUTRINI
2)La relazione fra MATERIA ed ANTIMATERIA
ed in particolare la VIOLAZIONE della SIMMETRIA
CP
L’esistenza del NEUTRINO fu POSTULATA da Pauli
nel 1930 per evitare di dover ammettere che nel
decadimento radioattivo BETA dei nuclei fosse violato
il principio di conservazione dell’energia.
Fermi formulo’nel 1932 la teoria basata su questa
ipotesi , confermata sperimentalmente con la
rivelazione dei (anti)neutrini prodotti in reattori
nucleari solo nel 1957.
Bethe nel 1939 spiego’ il meccanismo di produzione
dell’ energia nel SOLE come conseguente ad una serie
di fusioni nucleari che, partendo da uno stato
iniziale di quattro protoni, terminano con un nucleo
di Elio piu’ 2 neutrini di tipo “e” (e fotoni).
Conseguentemente, dalla misura dei parametri solari
puo’ essere dedotto il flusso di questi neutrini che
raggiungono la terra (10e12/cm2/s).
Nel decadimento di alcune particelle sono stati
individuati altri due tipi di neutrino (tipo mu e tipo tau)
Se i neutrini hanno massa ZERO essi sono stabili
Ma in caso di massa non nulla allora, secondo un ipotesi
avanzata per primo da Pontecorvo negli anni sessanta,
essi possono OSCILLARE ,da un tipo all’altro, durante
la loro propagazione temporale.
Effettivamente i risultati di due esperimenti hanno
portato a concludere:
a) Esperimento SNO: il modello SOLARE e’corretto
entro qualche percento
b) Esperimento SUPERKAMIOKANDE: I neutrini
solari nel loro viaggio dal sole a noi per circa il 50%
si sono effettivamente trasformati da tipo beta a tipo
mu o tau
COMPITO PER IL PROSSIMO FUTURO
Determinare i valori delle masse dei neutrini, i parametri
delle oscillazioni e nel caso sia provato che neutrini
ed antineutrini NON sono identici (neutrini di
FERMI)
determinare SE le oscillazioni dei neutrini ed
antineutrini rispettano la
SIMMETRIA CP
per invarianza sotto Coniugazione di carica (cioe’
scambio particella-antiparticella) ed invarianza per
Parita’ (cioe’ riflessione spaziale).
I quesiti di cui sopra non sono puramente
ACCADEMICI ma hanno grande rilevanza
COSMOLOGICA nel senso che la massa non nulla dei
neutrini contribuisce naturalmente alla MASSA dell’
UNIVERSO e l’eventuale violazione di CP
potrebbe essere la chiave per spiegare l’apparente
ASSENZA di ANTIMATERIA almeno nella nostra
GALASSIA.
La GARA e’ aperta per chi INVENTA il modo piu’
efficace per rispondere a questi quesiti, CONVINCE
gli ENTI (come l’INFN in Italia) preposti a questo
tipo di ricerche a FINANZIARE il progetto ed i
COMITATI SCIENTIFICI dei Laboratori (CERN….)
Eventualmente coinvolti ad APPROVARLO.
DOPO non resta altro che la parte PIU’ DIFFICILE
dell’impresa, cioe’realizzare la costruzione delle
sorgenti di neutrini e degli apparati sperimentali
necessari, la raccolta dei dati e l’analisi fino ad
estrarne obbiettivamente i risultati, per concludere la
fatica con la stesura del lavoro per la
PUBBLICAZIONE
cosi’ da renderli disponibili alla comunita’ scientifica
La RICOMPENSA ultima essendo la STIMA dei
dei COLLEGHI ed eventualmente l’ attribuzione di
un PREMIO per merito scientifico.
Naturalmente quanto sopra presuppone che sia stato
disponibile, in una qualche forma, un POSTO di
RICERCATORE, possibilmente a tempo indeterminato,
vista la durata almeno decennale prevedibile per una tale
AVVENTURA scientifica….
Parlando di neutrini ho toccato brevemente il problema
della simmetria CP, perche’questo sara’ l’aspetto su cui
in assenza attualmente di una qualsiasi informazione
sperimentale in proposito si concentrera’ molto
probabilmente l’ interesse della ricerca in questo
campo.
Nel settore dei QUARKS -- costituenti fondamentali
della materia assieme ai LEPTONI (elettroni, mesoni
mu e tau con I loro neutrini) ed ai GLUONI, mediatori
dell’interazione FORTE ed ai MESONI VETTORIALI,
mediatori dell’ interazione elettro-debole – la violazione
della simmetria CP e’stata scoperta nel 1964 e la ricerca
Teorica e sperimentale e’stata portata avanti intensamente
da allora con risultati particolarmente significativi,
raggiunti a partire dagli anni novanta, a seguito di
esperimenti dedicati al CERN ed al FermiLab ed alla
costruzione a Stanford e Tsukuba di macchine a collisione
Elettrone-positrone e rispettivi apparati sperimentali.
Inizialmente, per piu’ di un decennio, la violazione di
CP apparve come una curiosita’ limitata ad un unico
caso che richiedeva di utilizzare i principi della
meccanica quantistica per caratterizzarlo.
Successivamente, con il graduale sviluppo del
cosidetto Modello Standard, in cui al momento attuale
trovano collocazione tutti i fatti sperimentali finora
noti e con la realizzazione che con almeno tre famiglie
di quarks la teoria possedeva un sufficiente numero
gradi di liberta’ da poter includere la rottura della
simmetria CP, questo campo di ricerca ha assunto
una nuova rilevanza.
Innanzi tutto perche’ per la prima volta, come indicato
da Sakharov nel 1967, si intravedeva un meccanismo per
rendere conto del fatto che, a partire da un BIG BANG
in cui la materia e l’ antimateria(in qualunque modello
proposto) erano create in eguale proporzione, nello sviluppo successivo una violazione di simmetria al livello
di una parte su un miliardo, accoppiata all’ assenza di
equilibrio termodinamico ed ad un necessario (seppure
infinitesimo) grado di instabilita’ dei protoni, poteva
indurre la scomparsa della antimateria e produrre un
rapporto fra fotoni ed atomi nell Universo come
effettivamente osservato (dell'ordine di 10 miliardi).
L’altro motivo di interesse era l ‘aspettativa teorica
che questo sottile fenomeno di violazione di simmetria
potesse essere la manifestazione di una fenomenologia
che andava OLTRE il MODELLO STANDARD e che
sarebbe divenuta direttamente palese solo ad una scala di
energia piu’ elevata di quella raggiunta finora.
Gli esperimenti sui mesoni K (Cern e FermiLab) hanno
raggiunto una sensibilita’ed accuratezza sufficiente a
mettere in evidenza la violazione DIRETTA (quindi
non soltanto nello sviluppo della sovrapposizione
Quantistica degli stati) nel decadimento di questi mesoni
e piu’recentemente una serie di risultati sui decadimenti
di mesoni contenenti quarks di tipo b (SLAC e KEK)
hanno fornito dati di grande interesse teorico.
In generale le misure sono tutte inquadrabili nell’ ambito
del modello standard, ma la crescente sensibilita’ fa
sperare che possano emergere elementi di
NUOVA FISICA
Alla ricerca di NUOVA FISICA e’ destinato innanzi
tutto il nuovo acceleratore
LHC
a collisioni protone-protone di 8 TeV contro 8 TeV
e nucleo-nucleo, in fase di completamento al CERN,
che e’ previsto entrare in funzione nel 2007 insieme
a quattro apparati sperimentali -- i piu’ complessi e
raffinati mai costruiti nel mondo.
Una delle motivazioni piu' importanti per la costruzione
di LHC e' la ricerca dei cosidetti BOSONI di HIGGS dal
nome del fisico che per primo ha postulato un principio
per spiegare l'ORIGINE della MASSA dei costituenti
ELEMENTARI della materia.
Mentre dalla ben nota relazione fra massa ed energia
E = M.c2
si puo' assumere che la massa di oggetti composti
come protoni e neutroni derivi principalmente (od
anche totalmente in caso di costituenti di massa
nulla) dalla energia cinetica dei costituenti confinati
al loro interno, per quanto riguarda le particelle
elementari la massa deve derivare dalla loro
interazione con un campo che pervade lo spazio
i cui QUANTI sarebbero i BOSONI di HIGGS.
Le proprieta' di tali bosoni (eccetto la loro massa di cui
si sa soltanto dagli esperimenti finora effettuati che deve
essere maggiore di circa 110 volte la massa del protone)
sono specificate dalla teoria, che potra' essere pertanto
verificata (o smentita....!) gia' nei primi due o tre anni
di funzionamento di LHC
La sperimentazione ad LHC potra' anche portare alla
prova della esistenza della SUPERSIMMETRIA che
potrebbe permettere l'estensione della teoria standard
in modo da spiegare in particolare la natura della
MATERIA OSCURA , riconosciuta ormai come un
costituente essenziale (per i suoi effetti gravitazionali)
dell' UNIVERSO.
Infine la supersimmetria permetterebbe di prevedere
l' UNIFICAZIONE delle costanti di accoppiamento
di tutte le forze della NATURA ad energia altissima,
implicando fra l'altro la possibilita' di disintegrazione
spontanea del protone, ingrediente NECESSARIO
(anche se di per se non sufficiente) per spiegare la
attuale ASSENZA di ANTIMATERIA.
LHC
SPS
CERN Site (Meyrin)
CERN Member States
CERN Users
CMS – Compact Muon Solenoid
CMS sezione traversa
Atlas toroide
Atlas bobina
Puzzle
Find 4 straight tracks.
Answer
Make a “cut” on the
Transverse momentum
Of the tracks: pT>2 GeV