MasterClasses 2011:
Viaggio nel mondo
delle particelle
Lecce,
22 marzo 2011
Hands on Particle Physics
International Masterclasses for High School Students
http://www.physicsmasterclasses.org
Benvenuti nell’affascinante mondo della
Fisica delle Particelle Elementari !
Come tanti altri ragazzi da vari istituti
scolastici europei, oggi farete con noi un
viaggio nell’infinitamente piccolo.
Michele Bianco , Edoardo Gorini , Margherita Primavera , Andrea Ventura
Annalisa De Lorenzis , Luigi Longo , Marilea Reale
Dipartimento di Fisica dell’Università del Salento – Sezione di Lecce dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
Dall’infinitamente grande
all’infinitamente piccolo
Cosa
vediamo…
…e come
lo vediamo
La Fisica delle Particelle
Elementari permette di
studiare l’Universo, da
dimensioni <10-16 m fino alle
scale intergalattiche (>1025 m)
Qualche nozione preliminare
2 2
E  p c  m02 c 4
2
v
 
c

1
1 
2
Energia E misurata in eV
Momento p misurato in eV/c
Massa a riposo m0 misurata in eV/c2
E  m0c
2
p  m0c
 
pc
E
 Quanta energia è 1 eV? 1 eV = 1.6·10-19 J  1 eV/c2 = 1.8·10-36 kg
mape = 1 g = 5.8·1032 eV/c2, vape = 1 m/s  Eape = 10-3 J = 6.25·1015 eV
ELHC = 14 TeV = 14·1012 eV… ma di un solo protone! Con 1014 protoni
da 14 TeV  108 J, come un camion da 100T che va a 120 km/h
 Qualche lunghezza tipica:
1 nm = 10-9 m (lunghezza d’onda luce verde: 500 nm)
1 A = 10-10 m: dimensione dell’atomo
1 fm = 10-15 m: dimensione del protone
La storia dell’Universo
Le nostre
attuali
conoscenze
portano a una
coerente
descrizione
dell’universo e
della sua
evoluzione nei
sui 14 miliardi
di anni
I costituenti “ultimi” della
materia
Da sempre l’uomo ha cercato di ricondurre la realtà circostante a
un piccolo numero di costituenti.
Il primo successo lo si deve a Mendeleev che inserisce gli
elementi allora noti nella Tavola periodica degli elementi chimici.
Questo schema
evidenzia la
periodicità delle
loro proprietà.
L’esistenza di
tale simmetria
suggerisce una
possibile struttura
interna
La struttura atomica
Dal 1895 al 1900:
• scoperta dei raggi X (W. Roentgen)
• scoperta della radioattività naturale (P.&M. Curie, H. Becquerel)
• scoperta dell’elettrone (J. J. Thomson)
Nel modello di Thomson:
• un numero Z di elettroni
• una distribuzione continua di cariche positive
Esperimento di Rutherford
?
Cosa tiene unito l’atomo?
L’interazione (o forza) elettromagnetica avviene tra
particelle cariche, come protoni e elettroni tramite lo
scambio di fotoni.
e elettrone
protone p

fotone
L’Elettrodinamica Quantistica (QED) è una teoria di
grande successo capace di descrivere quantitativamente
(e prevedere) tali fenomeni con grande precisione.
Il nucleo atomico
• Negli anni successivi si scoprì l’esistenza degli isotopi
(elementi con lo stesso numero di elettroni ma diversa massa)
• Problemi con il momento angolare intrinseco (spin) dei nuclei
Anche il nucleo è un
sistema composto
da Z protoni
e da A-Z neutroni
Ma in presenza
della sola forza
elettromagnetica
non potrebbe
essere stabile!
La forza elettromagnetica non può tenere uniti i nuclei
atomici poiché i protoni si respingerebbero e i neutroni
hanno carica nulla. È stata introdotta l’interazione forte.
Fenomeni di radioattività
In natura vengono osservate numerose transizioni da
nuclei instabili a nuclei stabili più leggeri, con
conseguente emissione di vari tipi di radiazione
• Transizione  : emissione di nuclei di elio (formati da
due protoni e due neutroni)
• Transizione  : emissione di un elettrone (e–) e di un
neutrino ()
• Transizione  : emissione di radiazione
elettromagnetica molto energetica (fotoni)
Scoperta dell’antimateria
A conferma della teoria di Dirac che prevedeva stati a
energie negative, nel 1931, dallo studio dei raggi cosmici,
Anderson scoprì il positrone, l’antiparticella dell’elettrone
Se una particella e la sua
antiparticella interagiscono,
si annichilano producendo
+
energia
E = 2mec2
e
e–
Avviene anche il contrario: un fotone
può produrre una coppia e+e–
A ogni particella corrisponde un’antiparticella, con medesima massa
e vita media. Talvolta coincide con la particella stessa (0,)
Una miriade di particelle
 Dagli anni ’30 in poi sono state scoperte tantissime nuove
particelle, sia nelle interazioni dei raggi cosmici, sia dalla
collisione di fasci prodotti dagli acceleratori.
 Esse si distinguono in due categorie principali:
 Leptoni (che non agiscono in modo forte)
 Adroni (che risentono dell’interazione forte)
 Gli adroni possono
classificarsi in sistemi
aventi simmetrie
 Anche in questo caso
potrebbe esserci una
struttura interna
L’ipotesi dei quark
 1962: il Modello a quark spiegò le simmetrie osservate.
 Carica elettrica frazionaria (+2/3 e -1/3)
 Tre stati diversi (colori) per ogni quark
 Adroni composti da 3 quark (barioni) o
da coppie quark-antiquark (mesoni).
 Non ci sono quark liberi (sono confinati negli adroni)
carica
quarks
Esempi: neutrone e protone:
e
+2
3
u
n
1
–3 e
d
p
– Barioni ( qqq )
___
– Antibarioni ( qqq )
_
– Mesoni ( qq )
Verso l’infinitamente piccolo
Tre generazioni
di quark e di leptoni
massa
 Nel frattempo, dopo numerose scoperte,
ci si accorse che oltre ai quarks u e d
(componenti di protoni e neutroni) e agli
elettroni e e i loro neutrini e , esistono altre
due generazioni di quark e di leptoni, con
analoghe proprietà, ma masse crescenti.
Materia
ordinaria
Le interazioni fondamentali
 Riassumendo, esistono quattro forze fondamentali :
 Gravitazionale
 Debole
 Elettromagnetica
 Forte
 Sono mediate dallo
scambio di particelle
 Determinano la
coesione della
materia e il suo
decadimento
Il Modello Standard
 1967: S. Weinberg e A. Salam (e in modo
indipendente anche S. Glashow) unificarono
le interazioni elettromagnetica e debole.
 La mediazione dell’interazione e.m. è affidata
al fotone (), neutro e senza massa, quella
dell’interazione debole richiede invece tre
“bosoni” massivi (W+, W–, Z).
 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)
tuttora ricercato da tutti gli esperimenti
Il decadimento del neutrone
d
u
W
 Le interazioni tra le particelle elementari sono
descrivibili tramite i diagrammi di Feynman

Cosa accade in una collisione
Il caso di LHC: protone-protone
Energia: E1
Energia: E2
protone
protone
Ciascun protone ha energia:
2 2
E m c p c
2 4
0
p è il momento
• È tanto più alto quanto
maggiore è la velocità
c è la velocità della luce
E la celebre equazione di
Einstein dice:
E  mc
… pertanto …
2
Cosa accade in una collisione
Prima: Etot  E1  E2  2E
Energia: E1
protone
Dopo:
Dall’energia 2E si
formano nuove
particelle
(note o non note)
Energia: E2
2E  m
protone
Più elevata è
l’energia nella
collisione, e
con maggior
probabilità si creano
nuove particelle
Decadimento della Z
 Tra le particelle prodotte nelle collisioni può esserci la Z.
Come tutte le particelle massicce, la Z decade, ma è impossibile
sapere in anticipo in quale tipo di particelle decadrà.
 Si può solo dire che la Z ha una certa probabilità di decadere in
un certo tipo di particelle, e tali probabilità di decadimento
possono essere calcolate teoricamente nel Modello Standard
 Una Z può decadere in:

due elettroni (Z0→ e+ + e-)
~3,3 %

due muoni (Z0→ μ+ + μ-)

due leptoni tau (Z0→ + + - )
~3,3 %
~3,3 %

due neutrini (Z0→  + ) (=e, μ, )

due quark (Z0→ q + q ) (q=u,d,c,s,b ma non t che è troppo pesante)
~10 %
INVISIBILE!
~20 %
~70 %
Decadimento della Z
Oggi cercheremo di
individuare i decadimenti
della Z in coppie di muoni
o in coppie di elettroni.
Scorreremo un elevato
numero di eventi reali
registrati all’acceleratore
LHC, e tra questi
dovremo trovare i segnali
di Ze e e di Zm m
Vi saranno anche eventi simulati
con particelle finora mai osservate!
Cinematica dei decadimenti

Ogni particella ha una quantità di moto (vettoriale) p
ed un’energia (scalare) E pari a

In un decadimento, ad esempio Z→ m+ m– , quantità
di moto e energia DEVONO conservarsi.
Ciò deve essere vero in qualsiasi sistema di
riferimento, ed in particolare in quello in cui la Z è
ferma

La massa invariante

L’equazione
può essere riscritta come


Pertanto se conosciamo la cinematica delle particelle finali
(cioè le loro quantità di moto, le energie e chiaramente le
loro masse), siamo in grado di determinare la massa della
particella decaduta.
Considerando la cinematica di coppie di leptoni-antileptoni
possiamo verificare l’ipotesi che esse provengano proprio
dal decadimento della Z … o di “nuove particelle”!
Il Modello Standard non basta
 Il Modello Standard finora ha retto a moltissime verifiche
sperimentali, ma ancora non risponde a tante domande:
–
–
–
–
–
–
–
–
Qual è l’origine delle masse delle particelle?
Il bosone di Higgs esiste?
Perché l’ultimo dei quark (il top) ha una massa così alta?
Perché elettrone e protone hanno in modulo la stessa carica?
Perché ci sono 3 famiglie di leptoni, e altrettante di quark?
Perché nell’universo la materia prevale sull’antimateria?
Le forze elettrodebole e forte sono unificabili alla gravità?
…?
Il Modello Standard potrebbe essere solo una parte di qualche
teoria più grande, rivelabile solo a energie maggiori di quelle
indagate fino ad oggi, dunque alcuni TeV (1 TeV = 1012 eV)
Possibili scenari oltre il
Modello Standard
•
•
•
•
La Supersimmetria (SUSY), tra le teorie più accreditate
Nuovi bosoni vettori massivi (W/ Z)
Particelle esotiche long-lived
I micro-buchi neri
• Le Extra-Dimensions
X
q
Z′
q
Y
M. Bianco
Y
Graviton (G)
X
Y
X
p
p
Recoil
26
Verso nuove grandi
scoperte
Ci vuole un acceleratore di particelle per
poter investigare la regione multi-TeV:
LHC (Large Hadron Collider)
Il gruppo ATLAS
di Lecce lavora
da molti anni a
questo progetto
Cosa tiene unito il nucleo?
La Cromodinamica Quantistica (QCD) è una
teoria basata su una simmetria tra 3 “colori”
(rosso, blu, verde) che caratterizza i quark.
Perché decade il neutrone?
L’interazione forte è troppo intensa per spiegare il lungo
tempo di decadimento del neutrone:
È necessario introdurre un’interazione debole che
spieghi questo fenomeno e i decadimenti di altre altre
particelle. Essa è mediata dai “bosoni vettori” W+, W–, Z.
Distribuzione di
massa invariante
 La massa invariante
non assume un singolo
valore!
 La larghezza di questa
distribuzione dipende
da due fattori


La larghezza
intrinseca della
particella (tanto
maggiore tanto è
breve la vita media)
La risoluzione del
rivelatore nella
misura delle
particelle finali