La scoperta delle
particelle strane
Arturo Russo
Dipartimento di Fisica e Tecnologie Relative
Università di Palermo
AIF – Scuola di Storia della Fisica, 2005
Le particelle elementari (1947)
Materia e radiazione Protone (p),neutrone (n),
elettrone (e-), fotone (g)
Forze nucleari
Pione (mesone p)
Anti-elettrone
Positrone (e+)
Decadimento beta
Neutrino (n) (teorica)
Decadimento del
pione
Muone (mesone m)
p  m  e
I raggi
cosmici
(1947)
La scoperta delle particelle V
(George Rochester e Clifford Butler)
15 ottobre 1946
(2 fotografie tra 5000)
23 maggio 1947
Un mesone pesante
Massa delle V  1000 me
Massa del pione
273 me
Massa del muone
207 me
Massa del protone 1840 me
Una scoperta casuale ?
The result of good
fortune, good science
and the right technique
(G. Rochester)
Clifford Butler
Il laboratorio di Blackett
a Manchester
Patrick Blackett
L. Janossy, D. Broadbent e G. Rochester
L'observatoire du Pic du Midi
Pic du Midi
(Settembre 1949)
Beppo Occhialini
Patrick Blackett
Il magnete al Pic du Midi
Luglio 1950
La conferma dalla California
(Novembre 1949)
34 eventi di tipo V in 11.000 fotografie in
camera a nebbia
30 eventi mostrano il decadimento di una
particella neutra in due cariche
4 eventi mostrano il decadimento di una
particella carica in una seconda particella
carica più, presumibilmente, una neutra
Carl Anderson
6 eventi (tutti del primo tipo) a Pasadena,
28 sulla White Mountain (3200 m s.l.m.)
Un'altra scoperta … o la stessa?
Cecil Powell
1950-51: si conferma
t

p
+
p+
+
p-
mt  1000 me
La grande stagione dei
"cosmiciens" (1947-1955)
Michel Crozon
Montagnes, ballons, avions: le
physiciens ont connu una
dernière époque aventureuse,
un dernier bain de nature, avant
le grand enfermement dans le
beton des accélérateurs
(La matière première, 1987)
La ricerca di un quadro coerente
(1950 – 1955)
La natura come laboratorio, spirito
d'avventura e disponibilità a lavorare in
Vari
laboratori
condizioni
disagiateeuropei e americani

impegnati
in
un'attività
che
 Paziente lavoro di raccolta e interpretazione
richiama
spirito e sistematica
i metodidegli
del
delle tracce, lo
classificazione
eventi,
ricerca di una nomenclatura
razionale
naturalismo
ottocentesco

Confronto tra risultati ottenuti da diversi
gruppi di ricercatori in convegni e congressi
La fisica dei raggi cosmici in
Europa negli anni '50

Scuola di formazione della nuova
generazione di fisici sperimentali

Solidarietà e collaborazione
internazionale

Orgoglio di fronte alla sfida dei
grandi acceleratori americani
Due interpretazioni della
nascita della "big physics"

Ad alta intensità di capitale negli Stati
Uniti, sull'onda del progetto Manhattan
(grandi laboratori e grandi macchine)

Ad alta intensità di lavoro nell'Europa
che emerge dalle rovine della guerra
(collaborazioni internazionali ed
emulsioni nucleari)
I risultati del Pic du Midi
(1950 - 1952)
Due tipi di particelle
V neutre (V°):
Due ipotesi sulle
particelle V cariche:
V°1  p+ + p-
V  m + p0 + n
(massa  2200 me)
oppure
V°2  p+ + p-
V  m + n + n
(massa  800 me)
(massa  1100 –1200 me)
Conferme per le V neutre
(Rochester conference 1952)
I risultati del Pic du Midi per le V neutre sono
confermati da quattro gruppi americani:
- Caltech (Carl Anderson e coll.)
- Indiana University (Robert Thompson e coll.)
- Berkeley (William Fretter)
- MIT (Bruno Rossi e coll.)
La camera "multiplate"
W. Fretter (1951)
B. Rossi (1953)
Problemi per le V cariche
"Particelle […] che decadono in volo in camera
a nebbia producendo una caratteristica traccia
biforcuta a grande angolo"
(Rochester e Butler, 1953)
Dopo l'iniziale osservazione del 1947, altre ne
erano state osservate da vari gruppi, ma le
particelle cariche erano molto più rare di quelle
neutre e le ipotesi molto più controverse.
Un decadimento a cascata
Y-  V01 + p-
Pic du Midi (1952)
(confermato a Caltech)
V01  p+ + p-
(Massa  2600 me)
Le particelle K degli emulsionisti
(circa 1953)
t  p + p+ + p- mt  970 me
k   m  + ?0 + ? 0
  p + ? 0
e
mk  1125 me
m
m  900 - 1000 me
Jungfraujoch
?0
?0
k

Quale relazione tra le particelle V
in camera a nebbia e le particelle
K nelle emulsioni nucleari ?
Probabilmente k e V sono la
stessa particella, caratterizzata da
un decadimento in 3 particelle di
cui una carica, probabilmente m
Le particelle S di MIT
(1952-53)
33 eventi in 22.000 foto
Decadimento da ferma
("stopped")
Massa  1000-1500 me
Probabile decadimento: m/p + ?0
Le conclusioni di Rossi e coll.

S = V
= 
Decadimento in 2 particelle,
di cui una carica (p o m)
La situazione si presentava
affascinante, ma nello stesso
tempo caratterizzata da una
enorme confusione !
G. Rochester, 1989
Bagnères de Bigorre
(Luglio 1953)
I nomi e le cose
Mesoni leggeri (L): pione (p) e muone (m)
Mesoni pesanti (K): particelle di massa intermedia
tra quella del pione e quella del
protone (V, S, k, , t, ….)
Iperoni (Y):
particelle di massa maggiore di
quella del neutrone (Y-, …)
Lettere greche maiuscole per gli
iperoni e minuscole per i mesoni
Un primo quadro per gli iperoni
(1953 – 1954)
V01:
L0  p+ + p-
(massa 2181 me)
Y- :
-  p- + L0
(massa  2600 me)
p+ + p0
S 
n + p+
(massa  2300 me)
S-  n + p-
(da Brookhaven)
S0  n + p0
(scoperta nel 1957)
+
Quanti mesoni K?
(La situazione a Bagnères de Bigorre)
Dalle
camere a
nebbia
Dalle
emulsioni
( 50 eventi)
V02  p+ + p-
(massa 971 me)
V  m + ?0 + ?0 (massa  1100-1200 me)
S
 m + ?0 + ?0
t
t'
k





(massa  1000 me)
(da nuovi dati di MIT, una delle ?0 probabilmente g)
p + p+ + pp + p0 + p0
m + ?0 + ?0
p + ?0
(massa 966 me)
(presumibilmente  t)
(massa 1125 me)
(massa  900-1000 me)
Particelle diverse o una sola
particella con diversi modi di
decadimento?
Le conclusioni di B. Rossi
a Bagnères de Bigorre
B. Rossi, G. Bernardini, E. Fermi
"Due particelle
dovrebbero essere
considerate identiche
finché non si sarà
provato che sono
differenti"
Quindi ….
Un mesone K neutro:
V02 :
0  p+ + p-
Un solo mesone K carico con due modi di decadimento:
k  m + n + g
t  3p
La particella   p + ?0 non esiste
Ma ….
I fisici di Bristol sono ragionevolmente
convinti dell'esistenza della particella .
La massa della particella k (1125 me)
è maggiore di quella della particella t
(966 me).
Eccetera ….
Nuovi risultati
(1954-55)
Da MIT sulle particelle S
Echo Lake
Dagli emulsionisti sui mesoni K
Dalla camera a nebbia di
Princeton a Echo Lake (Colorado)
+  p+ + p0
p0  e+ + e- + e+ + e(massa  970 me)
Di conseguenza….
Si conferma l'esistenza della particella  e si
può anche concludere che
  
Un unico mesone pesante  con tre stati di
carica che decade in una coppia di pioni:
0  p+ + p  p + p0
Il nuovo quadro dei mesoni
K carichi
Simbolo
Decadimento
Massa
t
3p
966 me
 ()
2p
 970 me
k
m + ?0 + ?0
1125 me
Il "-t puzzle"
Le particelle  e t:
- hanno la stessa massa
- hanno la stessa vita media
- decadono entrambe producendo pioni?
Sono la stessa particella?
Richard Dalitz
In emulsioni ad
alta quota (palloni)
In camere a
nebbia ad alta
quota (montagna)
No, perché lo stato di tre
pioni prodotto dal
decadimento della t
differisce in momento
angolare e/o parità dallo
stato di due pioni
prodotto dal decadimento
della 
Dalitz plot
Ma è vero che la parità si
conserva nei decadimenti prodotti
da interazione debole ?
Nessuna prova
sperimentale !
Tsun Dao Lee
Chen Ning Yang
(1956)
No, la parità
non si conserva
nelle interazioni
deboli !
Chien-Shiung Wu
n  p + ep m e
0
L  p + p-
Richard Garwin
Leon Lederman
"Con l'arrivo della primavera del
1957 risultò del tutto certo che
parità [P] e coniugazione di carica
[C] sono violate nei processi
dovuti a interazioni deboli
ovunque si guardasse. E inoltre gli
effetti erano macroscopici"
Abraham Pais
Sembrava invece confermata l'invarianza PC, ovvero
la simmetria rispetto a riflessione spaziale e
contemporanea coniugazione di carica. Nel 1964,
arriverà da Brookhaven che anche questa simmetria
viene violata nel decadimento dei mesoni K neutri.
L'arrivo di "Camus“
(1954)
Il nuovo apparato sperimentale
dell’Ecole Polytechnique al Pic du
Midi trova ottima evidenza
dell’esistenza di una particella Km:
Km  m + n
Charles Peyrou
(m  935 me)
certamente diversa dalla k degli
emulsionisti di Bristol (che decade
in tre corpi e ha massa maggiore)
Bernard Gregory
Quanti mesoni K carichi?
Simbolo
Decadimento
Massa
t, t’
3p
966 me
 ()
p + p0
 970 me
k
m + ?0 + ?0
1125 me
Km
m+n
940 - 950 me
Si può semplificare?
Pur mantenendo la differenza tra t e , sembrava
che si potesse ricondurre tutto a due mesoni K:
  2p
t/Km
3p
m+n
Ma la k, con la sua grande massa non sembrava
potesse rientrare in questo schema semplificato.
La sfida degli emulsionisti
europei:
Risolvere il problema una volta
per tutte prima dell'arrivo
degli acceleratori americani
"Dobbiamo far presto, dobbiamo
correre senza rallentare il ritmo
perché siamo incalzati dalle
macchine […] Sappiamo che
potremmo andare a riposarci in
campagna per sei mesi e al nostro
ritorno sapremo da Brookhaven la
verità sui problemi di cui abbiamo L. Leprince-Ringuet
discusso […]
Ci troviamo, credo, nella posizione di un gruppo di
alpinisti che scalano una montagna molto alta e ci
inerpichiamo in condizioni sempre più difficili. Ma non
possiamo fermarci a dormire perché, proveniente dal
basso, sotto di noi, si sta sollevando una marea,
un'inondazione, un diluvio che cresce continuamente e
ci costringe a salire sempre più in alto."
Un problema di “range”
In un decadimento a due corpi (Km) con una particella
neutra di massa nulla (n), lo spettro dei muoni è
sostanzialmente monoenergetico, corrispondente a un
range ~ 90 gr/cm2. E’ quello che hanno osservato al Pic
du Midi e a Echo Lake (MIT).
In un decadimento a tre corpi (k), lo spettro è continuo,
e così anche la distribuzione dei range dei mesoni. E’
quello che hanno osservato gli emulsionisti di Bristol.
Il G-Stack experiment
(ottobre 1954)
Per osservare un muone
che attraversa ~ 100
gr/cm2 di materia prima
di decadere occorrono
almeno 20 cm di
emulsione nucleare.
C. Powell e G. Occhialini
L’avventura degli
esperimenti in pallone
(1952, 1953, 1954)
I risultati del G-Stack
Decadimento
Frequenza
Massa
Km  m + n
50 - 70
954 - 977
 ()  p + p0
15 - 30
966 - 972
Kb  e + ?0 + ?0
9
k  m + ?0 + ?0
3
(%)
(me)
Un unico mesone K
Si conferma così la sostanziale identità
di t e Km e quindi, dopo la soluzione
del puzzle -t e l’arrivo dei primi
risultati dal Bevatrone di Berkeley, di
tutti i mesoni K.
Arriva il tempo dei teorici e
delle grandi macchine.
La grande stagione dei
"cosmiciens" nella fisica delle
particelle elementari è
terminata