La storia della fisica delle particelle M. Cobal, Dipartimento di Fisica Universita’ di Udine 1 Introduzione La Fisica delle particelle affronta le domande fondamentali della storia del pensiero: Come funziona l’Universo? Quali sono i componenti ultimi della materia? Da dove viene? Come “si muovono”? Dove va? Che cosa “li muove”? Introduzione La Fisica delle Particelle non e’ solo una classificazione “zoologica” delle particelle esistenti in Natura, bensi’ aspira a comprendere il motivo della loro esistenza e le regole che le governano •Molti altri rami della Fisica sono quindi riconducibili ad essa: – La comprensione del Big Bang passa attraverso la comprensione della gravita’ quantistica ossia la spiegazione del comportamento della Natura quando i campi gravitazionali hanno intensita’ confrontabili alle forze nucleari – La comprensione della struttura a larga scala dell’Universo (Inflazione, Costante Cosmologica) andra’ ricercata nella teoria finale unificata e nello spettro di particelle che la compongono (cm) 1020 Dimensioni (cm) Un confronto dimensionale 1010 1 Cosmologia Astronomia Astrofisica Geofisica Antropologia, Psicologia Biologia, fisica dei fluidi, Solidi, gas Chimica 10-10 10-20 Fisica molecolare e atomica Fisica nucleare Fisica delle particelle elementari Di cosa e’ fatto il mondo? L'uomo è giunto a capire che la materia è in realtà un agglomerato di pochi elementi fondamentali, che costituiscono tutto il mondo della natura. La parola "fondamentale" è una parola chiave: Per elementi fondamentali intendiamo oggetti che sono semplici e privi di struttura interna (cioe’ non composti da qualcosa di più piccolo) •Domande: –Esistono mattoni fondamentali? –Quali sono I mattoni fondamentali? –Come interagiscono? –Come determinano le proprieta’ dell’Universo? La Rivoluzione Greca Circa 2500 anni fa i filosofi greci cominciarono a chiedersi: “di cosa e’ fatto il mondo?” e a cercare riposte usando la logica anziche’ la religione Talete di Mileto (600 AC): acqua… Anassimene: aria… Pitagora: numeri… Eraclito: fuoco… Empedocle: Quattro elementi: Acqua, aria, terra, fuoco Uniti o separati da forze “morali” (amore e odio)… Democrito (~400 AC): Tutto costituito da particelle invisibili e indivisibili: atomi Peso e forma diversa, combinati formano nuove sostanze L’atomo e’ fondamentale? • Alchimia Chimica (1780 1870) – Classificazione degli atomi in base alle proprieta’ chimiche – Evidenza di una “periodicita’” (Mendeleyev) Indicazioni di una struttura comune degli elementi La Tavola Periodica L’atomo e’ fondamentale? Ricorriamo all’esperimento: si guarda dentro l'atomo, usando particelle come sonde L'atomo ha una struttura interna, e non e’ una semplice “pallina” permeabile DOMANDE ? TEORIA ESPERIMENTO Stato della Fisica intorno al 1895 Meccanica Statistica (c 1860) 3 leggi della termodinamica Teoria Cinetica Leggi di Conservazione • Energia • Impulso • Momento Angolare Meccanica (Gravita’) Leggi di Newton (c 1640) 1. Legge di Inerzia 2. F=m a 3. Reazioni uguali ed opposte Elettricita’ e Magnetismo Equazioni di Maxwell (c1880) • Legge di Gauss • Legge di Faraday • Legge di Ampere • No monopoli magnetici Stato della Fisica intorno al 1895 Lord Kelvin— un’autorita’ del suo tempo Si oppone fortemente alla teoria atomica “There is nothing new to be discovered in physics now. All that remains is more and more precise measurement." Albert A Michelson— il primo premio Nobel americano “The grand underlying principles have been firmly established...further truths of physics are to be looked for in the sixth place of decimals" (Science, 1892) I 30 anni che sconvolsero la fisica! 1873 Teoria elettromagnetica di Maxwell 1874 George Stoney sviluppa la teoria dell’ elettrone e ne ipotizza la massa. 1895 Röntgen scopre I raggi X. 1898 Marie e Pierre Curie separano gli elementi radioattivi, Thompson misura l’ elettrone e sviluppa il suo modello atomico 1900 Planck suggerisce che la radiazione sia quantizzata 1905 Einstein descrive il fotone come quanto di luce, che si comporta come una particella. Propone inoltre l’ equivalenza tra massa ed energia, la dualita’ onda-particella, la relativita’ speciale 1911 Rutherford capisce che l’atomo ha un nucleo interno 1913 Bohr costrusce una teoria atomica basata sulla quantistica. 1919 Rutherford fornisce la prima evidenza dell’esistenza del protone Come si guarda dentro la materia? Rutherford (~1910) – classico esperimento bombardamento di particelle su bersaglio (foglio d’oro) Esperimento di Geiger & Marsden q ! Modello atomico di Rutherford Angle q Conclusione L’atomo contiene un nucleo di carica positiva di dimensione Nuovo Modello atomico <10 fm [1 fm = 10-13 cm] 0.000,000,000,000,1 cm Cosa succede negli anni ’20? 1921 Chadwick e Bieler concludono che una qualche forza forte tiene insieme il nucleo 1923 Compton scopre la natura particellare dei raggi X 1924 de Broglie propone che la materia abbia caratteristiche di onda 1925 Pauli formula il principio di esclusione per elettroni atomici. Bothe and Geiger dimostrano che massa ed energia si conservano nei processi atomici 1926 Schroedinger sviluppa la meccanica ondulatoria. Born da’ una interpretazione probabilistica della quanto-meccanica . 1927 Si osserva che alcuni materiali emettono elettroni (decadimento beta). Atomo e nucleo hanno livelli di energia discreti: come possono emettere elettroni con uno spettro di energia continuo? Heisenberg formula il principio di indeterminazione. 1928 Dirac combina la meccanica quantistica e la relativita’ speciale per descrivere l’ elettrone. Cosa succede negli anni ’30? 1930 Pauli parla del neutrino per spiegare lo spettro dell’ e nel decadimento b 1931 Dirac capisce che le particelle a carica positiva richieste dalla sua equazione sono oggetti nuovi (“positroni”). Si parla di anti-materia! Chadwick scopre il neutrone. Si indaga su legami nucleari e decadimenti 1933-4 Anderson scopre il positrone. Fermi elabora una teoria per il decadimento b: introduce la forza debole. Yukawa descrive le interazioni nucleari come lo scambio di nuove particelle (I “pioni”) tra protoni e neutroni interactions by an exchange of new particles (mesons called "pions"). Questa teoria adesso e’ sorpassata 1937 Studiando I raggi cosmici, viene scoperta una particella di massa 200 volte la massa dell’e. All’inizio si pensa che sia la particella di Yukawa. Si capisce poi che invece e’ il muone. 1938 Stuckelberg osserva che protone e neutrone non decadono in elettroni, neutrini o muoni. La stabilita’ del protone non si puo’ spiegare in termini di conservazione dell’energia e della carica. Il nucleo e’ fondamentale? Il nucleo e’ composto di protoni(carica elettrica positiva) e di neutroni (privi di carica elettrica) • Anche i protoni e i neutroni hanno una struttura: sono composti da particelle fondamentali chiamate quark. Ma per vedere questo ci vorra’ ancora un po’ di tempo… Una sorgente naturale di particelle I fisici delle particelle scoprirono ben presto che in natura vi era una copiosa sorgente di particelle di alta energia: i raggi cosmici I raggi cosmici sono particelle cariche di alta energia, soprattutto protoni, che provengono dallo spazio e arrivano fino alla superficie atmosferica della terra. Collisioni fra raggi cosmici e molecole di aria avvengono continuamente… Protoni dallo spazio Collisione con le molecole d’aria Soprattutto Muoni Cosa succede negli anni ’40? 1941 Moller e Pais introducono il termine "nucleone" come termine generico per protoni e neutroni. 1946-47 Si capisce che la particella trovata nei raggi cosmici e creduta il mesone di Yukawa e’ in realta’ un "muone“, la prima particella della seconda generazione delle particelle fondamentali che costituiscono la materia. Il commento di Rabi: "who ordered that?" Si introduce il termine leptone per indicare oggetti che non interagiscono in modo forte (elettroni e muoni sono leptoni) 1947 Si trova un mesone coinvolto in interazioni forti nei raggi cosmici: e’ il pione. Si sviluppano delle procedure per calcolare le proprieta’ elettromagnetiche di elettroni, positroni e fotoni. Introduzione dei diagrami di Feynman. 1948 Il Sincro-ciclotrone di Berkeley produce il primo pione 1949 Fermi e Yang suggeriscono che il pione sia composto da un nucleone ed un anti-nucleone. Viene scoperta la K+. L’ “esplosione” delle particelle Lo studio delle interazioni dei raggi cosmici porto’ alla scoperta di un grande numero di nuove particelle: 1931 - Il positrone (e+) 1936 - il muone (m) 1947 - Pioni, kaoni, iperoni Nello stesso tempo Ernest Lawrence imparava a costruire acceleratori di particelle in laboratorio… Ottenendo intensita’ molto piu’ grandi che nei raggi cosmici! Cosa succede negli anni ’50? 1950 Viene scoperto il pione neutro (p0). 1951 Si scoprono le particelle strane L0 e K0. 1952 Viene scoperta la particella Delta: ne esistono 4 tipi diversi (D++, D+, D0, and D-). Glaser inventa la camera a bolle (ispirato dalla birra..) Il cosmotrone di Brookhaven, a 1.3 GeV, comincia a funzionare. 1953 Comincia l’era della “esplosione delle particelle” 1953-7 Sparando elettroni contro nuclei, si “vede” una distribuzione di densita’ di carica nel protone e nel neutrone. Questo suggerisce la presenza di una qualche struttura interna, 1954 Yang e Mills sviluppano una nuova classe di teorie chiamate “teorie di gauge “. Questo tipo di teorie sono alla base del Modello Standard. 1955 Chamberlain e Segre scoprono l’anti-protone. 1957 Schwinger propone l’unificazione della forza debole ed elettromagnetica. 1957-9 Schwinger, Bludman, e Glashow, suggeriscono che tutte le interazioni sono mediate da bosoni carichi pesanti. Yukawa fu il primo – 20 anni prima – a parlare di scambio di bosoni, ma propose il pione come mediatore della forza debole.. Dov’e’ l’ordine? Con i nuovi acceleratori di particelle e nuovi rivelatori (camera a bolle)a disposizione i fisici delle particelle negli anni 1950s si divertirono un mondo… e p K nm 0 Sn S+ K0 K- p L Particelle ed Antiparticelle Massa Carica Vita media Spin Stessa massa, e vita media,carica e momento magnetico opposti Particelle Antiparticelle protone p neutrone n elettrone e neutrino elettronico ne muone negativo m neutrino muonico nm pione negativo p pione neutro p 0 fotone antiprotone p antineutrone n positrone e + antineutrino elettronicon e muone positivo m + antineutrino muonicon m pione positivo p + pione neutro p 0 fotone positron Plate of steel B All’ inizio erano poche… E molte piu’…. Servono energie sempre maggiori… Per testare le nuove teorie i fisici delle particelle hanno bisogno di alte energie COLLISIONI FRA FASCI DI PARTICELLE! TARGHETTA FISSA Energia a disposizione per produrre nuove particelle:~ Ebeam COLLISIONI FASCIO-FASCIO Energia a disposizione per produrre nuove particelle ~Ebeam Un moderno accelleratore In queste macchine, fasci di particelle sono accellerati quasi alla velocita’ della luce e fatti collidere in punti scelti della loro orbita Accelleratori 1983: CERN pp collider E = 540 GeV W+- (80 GeV), Z0 (91 GeV) 1995: Fermilab Tevatron pp collider E=1.8 TeV top quark (175 GeV) ¼ 2008: CERN LHC pp collider E=14 TeV discover Higgs? ????: Linear e+e- Collider E=1-2 TeV study Higgs in detail Cosa succede negli anni ’60? 1961 Il numero delle particelle aumenta! Uno schema matematico di classificazione (il gruppo SU(3)) guida i fisici a riconoscere “percorsi” in particelle diverse. 1962 Si verifica sperimentalmente che ci sono due diversi tipi di neutrino (elettronico e muonico), come predetto teoricamente (Lederman, Schwartz, Steinberger). 1964 Gell-Mann e Zweig introducono l’idea dei quark. Glashow e Bjorken inventano il termine "charm" per il quarto (c) quark. Osservazione della violazione di CP nel decadimento dei Kaoni (Cronin e Fitch) 1965 Greenberg, Han, e Nambu introducono la proprieta’ “carica di colore” dei quark . 1967 Weinberg e Salam separatamente propongono una teoria che unifica le interazioni elettromagnetiche e deboli nelle interazioni elettrodeboli. La loro teoria richiede l’esistenza di un bosone neutro che interagisce debolmente: lo Z0. 1968-9 Bjorken e Feynman analizzano i dati di scattering di elettroni usando un modello che prevede componenti per il protone. Usano la parola “partone” “The 8-fold way” barioni qqq mesoni qq K0 ds p- D0 D+ D++ ddd udd uud uuu n p Nel 1961 Gell-Mann & Ne’eman ebbero per K+ us la fisica delle particelle lo stesso ruolo di S0 L SMendeleev 100 anni dds prima con gli atomi uds “fondamentali” p+ p0 du D- ud uu,dd,ss dss uss - su sd K- K0 0 sss S+ uus Quarks Negli anni 1960 > 50 particelle elementari Tavola periodica! Si introducono 3 quark per spiegare la periodicita’ Ma i quark non erano considerati particelle reali!! Si capisce che anche protoni e neutroni non sono unita’ fondamentali Sono composti da particelle piu’ piccole dette quarks Per il momento questi quarks sembrano essere puntiformi L’ atomo moderno Una nuvola di elettroni in moto costante intorno al nucleo Protoni e neutroni in moto nel nucleo Quarks in moto nei protoni e nei neutroni Dimensioni (sub)-atomiche Il nucleo e’ 10,000 volte piu’ piccolo dell’atomo Il protone ed il neutrone sono 10 volte piu’ piccoli del nucleo Non ci sono evidenze che i quarks abbiano dimensione OrdineCostituenti fondamentali Proprio come l’ordine della tavola periodica era dovuto ai tre componenti fondamentali, cosi’ Gell-Mann e Zweig proposero che tutti gli “adroni” fossero costituiti da tre oggetti che vennero chiamati “quarks” I quark hanno cariche elettriche pari a 2/3, -1/3. -1/3 della carica dell’elettrone p n p+ p0 p- uud udd ud uu du D++ D+ D0 D- uuu uud udd ddd sss K+ K0 KK0 us ds su sd Cosa succede negli anni ’70? 1970 Glashow, Iliopoulos, e Maiani (GIM) capiscono l’ importanza di un quarto tipo di quark nel contesto del Modello Standard. 1973 Prime indicazioni dell’ esistenza di correnti deboli neutre (per scambio di Z0) Viene formulata una teoria quantistica di campo per le interazioni forti (QCD) Politzer, Gross, e Wilczek scoprono che la teoria di colore delle interazioni forti ha una proprieta’ speciale, detta “liberta’ asintotica”. 1974 Richter e Ting, leading independent experiments, announce on the same day that they discovered the same new particle J/Y, bound state of charm anticharm). 1976 Goldhaber e Pierre trovano il mesone D0 (quark anti-up e charm). Il leptone tau viene scoperto da Perl e collaboratori a SLAC. 1977 Lederman ed i suoi collaboratori scoprono il quark-b a Fermilab. 1978 Prescott e Taylor osservano interazioni deboli mediate dallo Z0 nello scattering di elettroni polarizzati da deuterio: il principio di conservazione della parita’ viene violato, come predetto dal Modello Standard. 1979 Vengono identificato gluoni irraggiati da quark o antiquark allo stato iniziale Una nuova teoria I fisici hanno elaborato una teoria, chiamata Modello Standard che vuole descrivere: tutta la materia tutte le forze dell'universo (escludendo per ora la gravità) La sua bellezza sta nella capacità di spiegare centinaia di particelle e interazioni complesse con poche particelle e interazioni fondamentali Il Modello Standard Nel Modello Standard esistono due generi di particelle: Particelle materiali: il Modello Standard sostiene che la maggior parte delle particelle materiali finora conosciute è composta di particelle più fondamentali (quark). C'è anche un'altra classe di particelle materiali fondamentali, i leptoni (un esempio è l'elettrone). Particelle mediatrici di forza: Ogni tipo di interazione fondamentale agisce "mediante" una particella mediatrice di forza (un esempio è il fotone). Fermioni: i componenti fondamentali Le particelle elementari: i fermioni 1a generazione 2a generazione Massa (MeV) Perche’ 3 famiglie? Ve ne sono di piu’? 3a generazione Carica (e) 2/3 2/3 -1/3 -1/3 0 0 -1 -1 Quarks Leptoni Unita’ usate nella fisica delle particelle Energia: electron-volt: 1 eV = 1.6x10-19 J Energia che l’elettrone guadagna attraversando una ddp di 1 Volt E = mc2, si pone c=1! Unita’ naturali Massa: electron-volt proton mass mp = 938.27 MeV Momento: electron-volt I leptoni I leptoni sono sei: tre hanno carica elettrica (negativa) tre non hanno carica elettrica Il leptone carico più conosciuto è l'elettrone (e). Gli altri due leptoni carichi sono il muone (µ) e il tau (t) Muone e tau sono repliche dell’elettrone con massa piu’ grande I leptoni neutri si chiamano neutrini: c’e’ un neutrino corrispondente a ogni leptone carico hanno massa molto piccola (ma non nulla) I quarks Ci sono 5 ordini di grandezza fra la massa del quark piu’ leggero (up) e quello piu’ pesante(top)! La miglior misura della massa oggi: M(top)=178 GeV con un errore di 4.3 Adroni I singoli quarks: hanno cariche elettriche frazionarie non sono mai stati osservati direttamente Si riuniscono in gruppi in particelle dette “adroni”: Le combinazioni dei quark possibili sono tali che la somma totale delle cariche elettriche sia un numero intero: due (qq=mesoni) o tre (qqq=barioni) Ma c’e’ molto di piu’…per capirlo bisogna introdurre le interazioni fra i quark Le forze L'universo che conosciamo esiste perché le particelle fondamentali interagiscono: decadono si annichilano reagiscono a forze legate alla presenza di altre particelle (per esempio nelle collisioni). Ci sono quattro interazioni(forze) tra le particelle: Gravita’ ElettroMagnetica Forte Debole Come interagiscono le particelle? Le particelle si attraggono o si respingono mediante particelle “messaggeri” (quanti del campo) Quelle che noi chiamiamo comunemente "forze" sono gli effetti dei mediatori di forza sulle particelle materiali. ee ee mm Diagramma di Feynman m m Che cosa tiene il mondo insieme? Forze Forte elettromagnetica debole Gravita’ Agiscono tra quarks Particelle cariche Tutte le particelle Tutte le particelle Forza relativa 10 10-2 10-13 10-42 quanto g W+- Z0 G spin = 1 (bosoni)) Gravita’ La forza gravitazionale è probabilmente la forza che ci è più familiare: non è compresa nel Modello Standard perché i suoi effetti sono piccolissimi nei processi tra le particelle •Anche se la gravità agisce su ogni cosa,è una forza molto debole qualora le masse in gioco siano piccole •La particella mediatrice di forza per la gravità si chiama gravitone: la sua esistenza e’ prevista ma non e’ ancora stata osservata Elettromagnetica Molte delle forze che sperimentiamo ogni giorno sono dovute alle interazioni elettromagnetiche nella materia: tengono assieme gli atomi e i materiali solidi la carica elettrica (positiva/negativa) e il magnetismo (nord/sud) sono diverse facce di una stessa interazione, l'elettromagnetismo. cariche opposte, per esempio un protone e un elettrone, si attirano, mentre particelle con la stessa carica si respingono. • La particella mediatrice dell'interazione elettromagnetica si chiama fotone. –In base alla loro energia, i fotoni sono distinti come: raggi gamma, luce (visibile), microonde, onde radio, etc. Interazione Forte Perche’ la repulsione elettromagnetica fra i protoni del nucleo non fa esplodere l’atomo? Alcune particelle (i quark e i gluoni) hanno una carica di un nuovo tipo: è stata chiamata carica di colore. Ogni quark puo’ avere uno dei tre colori: rosso, blu o verde Tra particelle dotate di carica di colore l'interazione è molto forte, tanto da meritarsi il nome di interazione forte. La sua particella mediatrice è stata chiamata gluone: perche’ “incolla” i quark fra di loro Il Modello a quark 1964 Gell-Mann, Zweig Ci sono 3 quarks e 3 antiquarks Quark Up Down Strange Charge +2/3 -1/3 -1/3 Ogni quark puo’ portare uno di 3 colori Gli anti-quark portano un anti-colore Il “confinamento” dei quark Le particelle con carica di colore (come I quark) non si possono trovare isolate ma solo in gruppi di colore “neutro” (adroni) Questo spiega perche’ sono possibili solo combinazioni di due (“mesoni”) o tre (“barioni”) quark: sono le uniche neutre di colore. La carica di colore si conserva sempre. quando un quark emette o assorbe un gluone, il colore del quark deve cambiare, per conservare la carica di colore Per esempio, consideriamo un quark rosso che diventa un quark blu ed emette un gluone rosso/anti-blu: il colore "netto" è sempre rosso. Il blu e l’anti-blu si annullano rimane il rosso Mai quark liberi!!! La forza di colore diminuisce a piccole distanze e cresce al crescere delle distanze Cosa succede se si cerca di “spezzare” un adrone? Se uno dei quark di un adrone viene allontanato dai suoi compagni, il campo di forza di colore "si allunga" per mantenere il legame. In questa maniera cresce l'energia del campo di forza di colore, e cresce quanto più vengono allontanati i quark tra loro. Energia del campo di colore cresce… E=mc2 sufficiente per creare un’altra coppia quark-antiquark Dove sono i quarks? Questa descrizione e’ molto interessante, ma i quark per ora sono entita’ matematiche… L’esperimento confermera’ la loro esistenza!!! Proviamo a ripetere l’esperimento di Rutherford ad energie MOLTO piu’ alte… electrons Protons Si dimostra che il protone e’ costituito da altri oggetti piu’ fondamentali! Come si “vedono” i quark Negli anni ‘70, nelle collisioni elettrone-positrone ad alta energia, si osservano dei “getti” di energia, associabili alla presenza di gluoni dovuti alla forza nucleare forte che si origina dalle interazioni tra quark. E’ la manifestazione piu’ spettacolare del “confinamento” I gluoni e i quark si materializzano in “getti”(ing: jet) di particelle Interazione Debole L’interazione debole e’ responsabile del fatto che tutti i quark o leptoni decadono in particelle di massa minore I mediatori dell’interazione debole sono le particelle: W+, W- e Z0 Elettrica Magnetica Debole Forte Elettromagnetica Quarks u d W c s Leptons ne e- W nm m Electrodebole W t b W W nt t W Cambiamenti di tipo (detto “sapore”) governati dall’interazione debole Nel Modello Standard l’interazione Debole e’ unificata con quella Elettromagnetica: a piccole distanze stessa intensita’ Test della Teoria ElettroDebole Con l’introduzione della teoria elettrodebole furono necessarie tre nuove particelle: i mediatori dell’interazione W+, W- and Z0. Le loro masse erano previste dalla teoria stessa: MWc2 80 GeV Circa la massa del Bromo (z=35) o MZc2 90 GeV dello Zirconio (z=40)!!! …Pesantucce per essere “elementari”… La W e la Z hanno una vita media brevissima, ma possono essere identificate tramite i loro prodotti di decadimento, anche essi predetti dalla teoria elettrodebole: ene e+emnm m+mScoperte nel 1983! Z t+tW ud ..e con la corretta massa cs qq tb(?) Storia anni ’80 – 2002.. 1983 Scoperta del W± e dello Z0 al sincrotrone del CERN synchrotron usando la tecnica sviluppata da Rubbia e Van der Meer per far collidere protoni ed antiprotoni. 1989 Gli esperimenti portati avanti a SLAC e al CERN suggeriscono fortemente che vi siano 3 e solo 3 generazioni di particelle fondamentali 1995 A Fermilab l’esperimento CDF vede per la prima volta il quark top. 1998 L’esperimento SuperK identifica oscillazioni di neutrino (I neutrini hanno massa!) 2000-1 Viene osservata la violazione di CP usando B-mesons dagli esperimenti BABAR, BELLE 2002 “Risolto” il problema dei neutrini Solari. W boson, UA1 detector in 1982 Le generazioni della materia Quarks e leptoni organizzati in tre “famiglie”: tutta la materia visibile nell’universo e’ costituita dalla prima generazione. Le particelle della 2a e 3a generazione sono instabili e decadono in particelle della 1a Ci sono altre generazioni? Non si sa il perche’ di queste “repliche”…sorprese sono ancora possibili… Sperimentalmente pare di no Introducendo i quarks.. La mia tesi di Dottorato!! Supervisori: H. Grassmann, G. Bellettini Il Bosone di Higgs Il Modello Standard richiede l’esistenza di una ulteriore particella Bosone di Higgs Senza carica Massa sconosciuta (>115 GeV) spin = 0 E’ richiesto per poter assegnare le masse (nella teoria) a bosoni e fermioni Il MS e’ la teoria del tutto? NO Il Modello Standard non funziona a tutte le energie Il Modello Standard non include la gravita’ L’ Higgs non e’ ancora stato scoperto Unificazione Electricity Magnetism Weak force Strong force Gravity electromagnetism electroweak force GUTs string theory... Altri problemi aperti… Alcuni buoni motivi per credere che il Modello Standard sia una (buona) approssimazione di qualcosa di piu’ complesso: non spiega la gerarchia delle masse non spiega la dominanza di materia nel nostro Universo non suggerisce una soluzione al problema della Materia Oscura nell’Universo perche’ 3 famiglie ? troppi parametri .... Varie teorie cercano di superare questi problemi: GUT, SUSY, Technicolor, Compositeness, Superstringhe. Purtroppo nessuna di queste ha una qualche conferma sperimentale… I quarks sono veramente indivisibili? “The most important task for scientists is to search for the most fundamental laws, from which a picture of the world can be deduced.” There is no logical path leading to these elementary laws, only an intuitive one, based on creativity and experience Tra le 100 persone che hanno influenzato il mondo…. 17 Fisici 7 Fisici nell’ Era Moderna Albert Einstein Guglielmo Marconi Wernier Heisenburg Ernest Rutherford Max Planck William Conrad Rontgen Enrico Fermi Senza includere altri come Bohr, Boltzmann, Dirac, Feynman, Michelson, Schrodinger! La fisica delle particelle ha dato 40 dei ~90 Premi Nobel dal 1901 ad oggi. Se si hanno fortuna e tenacia… La ricerca del quark Top Dopo la scoperta del quark bottom (Fermilab 1977) il Modello Standard prevedeva un ultimo quark top per completare la coppia della terza generazione Il Modello Standard inoltre e’ in grado di predire esattamente il decadimento del quark top: q, e, m, t Ma non e’ in grado di predirne la massa…. q, n e , n m , nt Produzione di Top a Batavia, IL Il Tevatron di Fermilab e’ l’acceleratore di piu’ alta energia oggi esistente. Protoni e antiprotoni si scontrano con una energia di 1.8 TeV (1800000000000 electron volts) Collider Detector at Fermilab muon chambers steel HAD calorimeter EM calorimeter solenoid m e tracking volume electrons & photons muons I diversi tipi di particelle rilasciano tipi diversi di segnature nei nostri rivelatori jet p, K, , L, m etc. quarks & gluons n neutrinos Vari milioni di collisioni per secondo ~ 100 per secondo scritte su nastro Analisi dei dati… Simulazione di cio’ che ci si aspetta Trovato! Nel 1994, dopo 17 anni di ricerche a vari acceleratori e circa 10 anni allo stesso Tevatron, sono statei trovati 12 eventi che sembravano provenire dalla produzione di una coppia top-antitop Ora ce ne sono piu’ di 100… Perche’ e’ stato cosi’ difficile? Perche’ MTOP c 2= - E solo 1 in 1010 collisioni puo’ produrre una coppia top-antitop BACKUP Stato attuale della Fisica nel 2005 Meccanica statistica Fermioni e Bosoni Stati condensati Bose-Einstein Superconduttivita’ Evoluzione Stellare Meccanica (Gravita’) Teoria Generale Relativita’ Quanto Meccanica •Esistenza degli atomi •Particelle subatomiche •Approccio probabilistico Forza Forte Nucleare Composizione Particelle Nucleari Leggi di Conservazione • Energia • Impulso e momento angolare • Spin • Numero Barionico e Leptonico Elettricita’ e Magnetismo Equazioni di Maxwell (c1880) Il Modello Standard Unifica •Elettricita’ e Magnetismo •Forza Forte Nucleare • Forza Debole Nucleare Forza nucleare debole Radioattivita’ Verifica del Modello Standard Negli anni ’90, i dati raccolti al LEP studiando il decadimento del bosone Z, ci permettono di determinare con grande precisione il numero di neutrini (e quindi il numero di generazioni) e di escludere con certezza la presenza di neutrini “anomali”. Una ulteriore conferma del Modello Standard La curva corrispondente ad un numero di generazioni pari a tre descrive meglio la curva! Il precedente limite era basato su considerazioni cosmologiche Antimateria Per ogni particella (materia) c'è la corrispondente antiparticella (antimateria). Un'antiparticella è identica alla sua particella sotto ogni aspetto, tranne che per la carica, che è opposta. Per esempio: il protone ha carica elettrica positiva, e l'antiprotone ha carica elettrica negativa; ma hanno la stessa identica massa, perciò sono soggetti alla gravità nella stessa identica maniera. Quando una particella e la sua antiparticella si incontrano, si annichilano in energia pura. Questa energia può dar vita a particelle, prive di carica, mediatrici di forza, come fotoni, bosoni Z, o gluoni. QuickTime™ and a TIFF (Uncompressed) decompressor are needed to see this picture. L’ antico atomismo Democrito argui’ su basi logiche che devono esistere qualcosa di “invariato” nell’ Universo (c.f. leggi di conservazione nella fisica moderna?). Stabili’ poi che questi assoluti sono le piu’ piccole componenti dei corpi visibili. Immagino’ la natura come un moto incessante di piccole particelle di materia, indivisibili ed eterne che chiamo’ atomi (ατομον = indivisibile in Greco) (c.f. si pensi alla moderna teoria cinetica dei gas..).I cambiamenti che si osservano nell’ Universo richiedono l’esistenza del vuoto (gaps tra gli atomi) “Per convenzione parliamo di colore, di dolce, di amaro, ma in realta’ ci sono atomi e spazio”. Aristotele rispose che questi ipotetici atomi sarebbero dovuti casere a terram proprio come una pietra una volta sospesa e poi lasciata. Limits of pre-Modern Physics Dimension Range of Applicability Range of Application Length 10-6 to 10+8 m Smoke particle (Brownian Motion) to the solar system Mass 10-9 to 10+31 kg Dust particles to solar mass Time 10+10 to 10+17 sec-1 10-3 to 10+9 sec Microwave to UV light Smallest timing increments (msec) to celestial motions (centuries) Velocity 10-6 to 10+5 m/s Small particles to celestial motion Il moderno atomismo Teoria atomica della materia: Dalton (1808) Moto Browniano: Einstein (1905); determinazione del numero di Avogadro. Piu’ avanti: scoperta che l’atomo non e’ il costituente fondamentale Scoperta dell’elettrone: Thompson (1897) Scoperta del nucleo atomico: Rutherford (1911) Modello di Bohr dell’atomo (1913) Scoperta del neutrone (1932) Il Modello a quark Solo combinazioni prive di colore (“bianche”) di quarks e anti-quarks possono formare particelle (Adroni). qqq (barioni) qq (mesoni) Non ne sono state osservate altre. Pentaquarks??? Un altro evento con jets Gli stessi getti si osservano in eventi provenienti da collisioni protoneantiprotone Limiti attuali della Fisica Moderna Dimensioni Intervallo di valori Intervallo di applicazione Lunghezza 10-18 -10+26 m Dimensioni quark-dimensioni Universo Massa 10-31 - 10+40 kg Elettroni – Raggruppamenti di galassie Tempo 10+3 - 10+22 sec-1 10-16 - 10+17 sec Onde radio – Raggi Spettroscopia<famtosec–Eta’ Universo Velocita’ 10-8 - 10+8 m/s Particelle sub-atomiche-velocita’ luce Le origini Nell'antichità l'uomo pensava che ogni cosa nel mondo fosse un composto dei quattro elementi: L’ atomismo Democrito (460-370 B.C.) Filosofo greco: propose una teoria meccanicista del mondo che non richiedeva forze sovrannaturali, ma solo il moto costante degli atomi (indistruttibili) dei quali e’ composta la materia Democrito stabilisce che la nostra percezione delle cose e’ una sorgente di conoscenza fallace (esempio: gli atomi sono troppo piccoli per essere osservati). La conoscenza si ottiene dal ragionamento. Inconsistenze nella Fisica del 2005 Fermioni pesanti ed HTSC • Evoluzione Stellare • SM per Buchi Neri Leggi di conservazione Meccanica statistica Fermioni, Bosoni ed Anioni Condensati di Bose-Einstein Superconduttivita’ Evoluzione Stellare • • • • Energoa Impulso e Momento Angolare Carica Spin, Numero Leptonico e Barionico Meccanica (Gravita’) General Theory of Relativity Inconsistente con QM Ricerca della Materia Oscura Costante di gravitazione fissata Elettricita’ e Magnetismo Equazioni di Maxwell (c1880) Meccanica Quantistica GUT’s and TOE’s •Esistenza atomi •Particelle subatomiche •Combinazione di Standard Model & Gravita’ • Teoria delle Stringhe •Approccio probabilistico Strong Nuclear Force •Entwined States Composition of subatomic particles •Fisica alle dimensioni Matter/antimatter imbalance Forze nucleari deboli sub-Planck Decay ratios and particle masses Radioattivita’ Search for Higgs Bosons Violazione di CPT? Natura della forza forte Decadimento protone Sistemi Caotici e complessi Inconsistencies in Physics cira 1900 Statistical Mechanics (c 1860) Boltzman Distribution Entropy and counting states Brownian motion Existence of atoms Blackbody radiation Wein’s Law Electricity & Magnetism Mechanics (Gravity) Obeyed Galilean Transform Photoelectric Effect Diffraction of x rays Discrete Atomic Spectra Radioactive decay Medium for propagation of light Obeyed Lorentz transformation