Claudio Luci
Università di Roma “La Sapienza”
e INFN sezione di Roma
L’atomo:
da Democrito al CERN
breve storia di come nasce la scienza.
Monticelli. 31 marzo 2006
Sommario







Che cosa è la scienza
Le radici del pensiero scientifico
Galileo Galilei
Di cosa sono fatte le cose
Democrito ed i “chimici”
La scoperta dell’elettrone: l’atomo si è rotto
Come è fatto l’atomo




Gli acceleratori di particelle
La nascita del CERN
Il Modello Standard
Il Nobel di Rubbia
Che cosa è la scienza?

Definizione di scienza (De Mauro, dizionario online www.demauroparavia.it):
“ Insieme
di conoscenze rigorosamente controllate e sistematicamente
ordinate che consente di giungere a verità obiettive intorno ad un
determinato ordine di fenomeni o di concetti”

La scienza è la ricerca del perché delle cose. Questa ricerca è
innata nell’uomo. Pensate ai mille perché dei bambini.
Vedremo però quali “perché” cadono sotto il dominio della
scienza e quali no.
La scienza esiste perché
l’uomo è in grado di pensare e
non è soltanto puro istinto.
Perché un sasso cade?
Come funziona il sole?
Perché il cielo è blu?
Rodin: il pensatore (1880)
Riflessioni sulla scienza

La curiosità dei bambini si attenua man mano che
crescono. Forse perché subentrano altre necessità? Cibo,
vestiti, …

Lo scienziato è caratterizzato dal conservare anche da
adulto la curiosità del bambino. La ricerca non è un lavoro,
è un gioco.

La società dovrebbe avere verso la scienza la stessa cura
della mamma verso il neonato, senza chiedersi: “a cosa
serve”?
Le radici del pensiero scientifico

J. Burnett. Early Greek Phylosophy
“…una buona descrizione della scienza è dire che essa è la maniera di
pensare dei greci. Ed è questa la ragione per la quale la scienza è esistita
solo presso quei popoli che sono venuti sotto l’influenza della Grecia”
Tratto dal libro “Spaccare l’atomo”
“Ci troviamo nell’antica Grecia (circa 400 a.c.): un posto
veramente fantastico per viverci, ma attenzione, sempre
che tu non sia uno schiavo o una donna! I greci, quelli
ricchi naturalmente, hanno così tanti schiavi al loro
servizio, che la maggior parte di essi ha un sacco di
tempo per oziare, chiacchierare, bere vino e … pensare.”
N.B. … ma non tutti quelli
che oziano sono scienziati
o filosofi !!!
Le radici del pensiero scientifico

Talete di Mileto (circa 624 ac - 547 ac)

Predisse un eclisse; misurò l’altezza delle Piramidi (teorema di Talete); predisse un
ottimo raccolto di olive e affittò in anticipo i frantoi facendo un grande affare 
(Consiglio sul somaro, il sale e le spugne).

"l'acqua è principio di tutto".
L'originalità di questa sua tesi (sbagliata) consiste nel tentativo di spiegare i
fenomeni osservabili in virtù di un principio naturale (osservabile) e senza ricorrere
al soprannaturale e al divino

Molti abitanti di Mileto cominciarono a cercare sempre più spesso la causa di tutte
le cose, nei principi materiali e nell'argomentazione razionale piuttosto che negli
Dei, nella Magia o nel Mito. A questo tipo di esercizio intellettuale Talete diede il
nome di filosofia

Nasce l’atteggiamento scientifico verso la natura, che continuerà in tutta la civiltà
greca. Talete può essere considerato come il primo dei filosofi.

N.B. Non c’è ancora distinzione tra filosofia e scienza (Galileo).
I filosofi greci (solo alcuni)
L’acqua è la sostanza base
580-500 a.c.
Talete
Pitagora
500-428 a.c.
Anassagora
Il cambiamento della materia è dovuto al
riordine di particelle indivisibili
484-424 a.c.
Empedocle
Terra, aria, fuoco e acqua
460-370 a.c.
Democrito
Socrate
Introduce il concetto di atomi
Il mito della caverna: idee platoniche
384-322 a.c.
Platone
Aristotele
310-230 a.c.
Aristarco
Teoria eliocentrica, respinta perché non
conforme con le idee di Aristotele
287-212 a.c.
Archimede
Principio di Archimede (idrostatica)
624-547 a.c.
470-469 a.c.
427-347 a.c.
La terra è sferica. Con la matematica si
comprende l’intero universo
So di non sapere
Riassume tutte le idee precedenti ed il
suo pensiero domina per duemila anni
La scuola di Atene
(Raffaello 1509-1510; musei vaticani)
(N.B. Oltre ai precedenti, ci sono anche Eraclito, Diogene, Zoroastro, Euclide, Tolomeo)
Tolomeo e Copernico
Per i Greci l’armonia del Cosmo deve comportare
moti “armonici” dei corpi celesti, cerchi percorsi
con velocità costante
Il modello geocentrico di Tolomeo (85-165 dC) è
un perfezionamento di quello di Ipparco.
Le sue tavole permetteranno di calcolare le
posizioni dei pianeti per quattordici secoli ed oltre
Copernico (1473-1543 dc): modello eliocentrico
 La Terra è sferica.
 La Terra ed i pianeti seguono dei moti
circolari uniformi intorno al sole.
 La Terra ha un movimento di rotazione
attorno a se stessa.
Galileo Galilei (1564-1642)

Galileo nasce a Pisa nel 1564.
 Studia medicina per volere del padre
 Durante gli studi si appassiona alla fisica e alla
matematica e abbandona gli studi di medicina.
 Nel 1588 ottiene una cattedra di matematica
a Pisa. In questo periodo studia la caduta dei corpi.
 Nel 1592 ottiene una cattedra di matematica a Padova.
Comincia a studiare il moto dei corpi celesti e perfeziona il
telescopio, inventato in Olanda. Scopre le lune di Giove.
Si avvicina alla teoria di Copernico.
 1632 pubblica: “Dialogo sui due massimi sistemi del mondo”
 1633: viene processato dalla Santa Inquisizione per eresia.
Viene imprigionato e minacciato di tortura e viene costretto ad
abiurare pubblicamente alle sue teorie.
 Muore, malato e ormai cieco, ad Arcetri (Firenze) nel 1642.
Galileo: il metodo sperimentale

Galileo è storicamente riconosciuto come il fondatore della moderna
scienza sperimentale. Ogni fatto, evento o fenomeno naturale va
compreso e analizzato in rapporto alla tecnica dell’esperimento.

Il risultato dell’esperimento deve essere riproducibile da chiunque,
dovunque ed in qualsiasi momento. Solo in questo modo si può
affermare di aver capito il fenomeno.

Dal risultato di un esperimento si possono trarre delle leggi generali
(Metodo Induttivo)

Oppure si può fare un modello teorico dal quale trarre delle
conseguenze particolari (Metodo Deduttivo)

In ogni caso le ipotesi scientifiche vanno poste al vaglio
dell’esperimento, che sarà il solo giudice della validità delle ipotesi.
Galileo: natura e matematica
“il Grande libro della Natura è scritto
nel linguaggio della matematica, e non
possiamo capirla se prima non ne
capiamo i simboli“
Galileo Galilei
Quali sono i “perché” ai quali risponde
la Scienza?

Quando ci chiediamo:”perché accade una certa cosa”, vi sono
due interpretazioni della domanda:
– Quali precedenti circostanze hanno causato il fenomeno?
(Come funziona? Di che cosa è fatto? Cosa c’è dentro?)
Esempio: perché i pianeti girano intorno al sole?
La scienza risponde a questo tipo di domande
– A quale scopo il fenomeno accade? (Questa cosa a che
serve?)
Esempio: a cosa servono i pianeti? Perché esistono?
Per rispondere a questa domanda occorre avere una causa
finale. La scienza non sa e non può rispondere a questa
domanda. È il campo della filosofia e/o della religione.
Quali sono i
costituenti
elementari della
materia?
Quali sono le forze che
controllano il loro
comportamento al livello
fondamentale?
Di cosa sono fatte le cose:
dal complesso al semplice
Partendo dagli stessi componenti elementari:
Si può avere
mattoni
cemento
sabbia e acqua
ferro
legno
Tufo
Tutti gli edifici sono fatti di:
mattoni, cemento, sabbia,
acqua, ferro, legno
Dal complesso al semplice

E di cosa sono fatti i mattoni, il cemento, la
sabbia, l’acqua, il ferro, il legno?

I filosofi greci (Empedocle) ipotizzarono che
tutte le cose fossero formate da quattro elementi:
acqua, terra, fuoco e aria.

Democrito ipotizzò che il mattone elementare
comune a tutte le cose fosse l’atomo (indivisibile).
Democrito di Abdera: 460 – 370 a.c.

Democrito fu allievo di Leucippo, importante filosofo di Mileto

Democrito ritiene che suddividendo la materia in pezzettini sempre più piccoli,
prima o poi si deve arrivare ad una particella fondamentale, indistruttibile, che
chiamò àtomos (indivisibile, in greco antico). Altrimenti, se il processo di
divisione potesse andare avanti all’infinito, le cose si dissolverebbero nel nulla
(Aristotele non era d’accordo con questa teoria).

Gli atomi di Democrito sono eterni ed immutabili, esistono in varie forme e
sono animati da un continuo movimento nello spazio vuoto: quando si
avvicinano si incastrano tra loro e formano i corpi, quando si allontano causano
la disgregazione della materia.
Per Democrito tutto l’universo è fatto di due entità opposte: gli atomi e il vuoto


La teoria di Democrito fu ripresa da Epicuro 100 anni dopo, ma l’atomismo
cadde in disgrazia perché in disaccordo con Aristotele e, più tardi, con la
religione Cristiana.
I “chimici”: 1700-1800
• Boyle(1627-91); Gay-Lussac (1778-1850) :
studio delle proprietà dei gas
•Proust (1754-1826): proporzioni costanti
• Lavoisier (1743-94): conservazione della massa
• Dalton(1766-1844): “pesa” gli atomi
• Avogadro(1776-1856): molecole

Dalton, eseguendo degli esperimenti su delle reazioni chimiche, ed
utilizzando i risultati precedenti di altri ricercatori, formula la teoria seguente:
 La materia è formata da particelle indivisibili e indistruttibili: gli atomi
 Atomi di elementi diversi sono diversi tra loro e hanno masse diverse
 I composti sono sostanze pure formate da due o più atomi diversi che si
combinano secondo un rapporto definito
Avogadro: le reazioni chimiche avvengono tra molecole e non tra atomi.
(La molecola è la più piccola aggregazione di atomi di una stessa sostanza).
Mendeleyev (1834-1907)
Tutte le sostanze possono essere descritte in termini di diverse
composizioni di “soli” 105 atomi.
A intervalli regolari si presentano elementi con proprietà chimiche analoghe
E gli atomi?
A fine 800 si pensava che gli atomi fossero indivisibili.
L’atomo più leggero è l’atomo di idrogeno.
Nel 1897, studiando i raggi catodici, J.J. Thomson scoprì che erano
costituiti da una particella di carica negativa di massa circa 2000 volte
inferiore alla massa dell’atomo di idrogeno: l’elettrone.
La materia è neutra. Da dove
viene
l’elettrone? L’elettrone deve essere
Tubo
catodico
contenuto all’interno dell’atomo. Ma allora nell’atomo devono esistere
anche delle cariche positive in modo che l’atomo nel suo complesso sia
neutro. L’atomo è stato diviso!
Modello di Thomson dell’atomo. Un panettone di carica positiva
dove gli elettroni sono come “l’uva passa”.
Il modello è
I raggi catodici sono elettroni
che possono essere deviati da
corretto?
campi elettrici e magnetici
Soltanto la verifica sperimentale può dirlo!
Problema: come facciamo a
vedere gli atomi?


Gli atomi sono troppo piccoli per essere visti con gli occhi.
Si “bombardano” con delle particelle più piccole e si osserva come
“rimbalzano” quando colpiscono l’atomo.
Perché accelerare le particelle
Visione con una
lampada e gli occhi.
Visione con un
acceleratore ed un
rivelatore di particelle.
Aumentando l’energia
della particella migliora la
risoluzione con la quale si
“vede” l’oggetto
Attenzione: se si aumenta molto
l’energia del proiettile avviene
anche un’altra cosa: si creano nuove
particelle (vedi dopo)
Esperimento di Rutherford (1911)
Rutherford, Geiger e Mardsen bombardarono con particelle α (nuclei di elio)
una sottile lamina d’oro ed osservarono le particelle α deflesse
microscopio
una volta su 20000 le α avevano
un angolo di diffusione > di 90º
Lamina d’oro
Sorgente di α
Con l’atomo di Thomson questo non doveva accadere!
L’atomo di Rutherford
Tutta la massa dell’atomo è
concentrata nel nucleo con
gli elettroni che ruotano
intorno ad esso legati dalla
forza elettromagnetica.
elettrone
nucleo
Il modello planetario dell’atomo
spiega i risultati della diffusione
delle particelle α
-10
Dimensioni dell’atomo ~ 10 m
-14
Dimensioni del nucleo ~ 10
m
Gli atomi si distinguono tra loro dal
numero di elettroni che hanno
Problema: l’atomo di Rutherford è instabile. Non può esistere.
Soluzione: meccanica quantistica (1927).
E il nucleo?
• Rutherford scopre il protone (1919)
• Il nucleo deve avere tanti protoni quanti sono gli elettroni
• Il nucleo contiene la massa di tutto l’atomo (mp=1836 • me)
NON VA BENE! Il nucleo sarebbe troppo leggero.
La
massa dei protoni è circa la metà della massa dell’atomo
Deve esserci qualcos’altro dentro il nucleo
IPOTESI: particella simile al protone ma senza carica: il neutrone.
1932: scoperta del neutrone (Chadwick).
Il nucleo è composto da protoni e neutroni.
DOMANDA: che cosa tiene insieme i protoni
dentro il nucleo? La forza elettrostatica respinge i
protoni uno dall’altro.
RISPOSTA: forza forte.
Decadimento β: il sogno di Cagliostro
• Un nucleo si trasforma in un altro emettendo un elettrone (radiazione β)
Ex :
14
6
C147 N  e
• Problema: non si conserva l’energia, la quantità di moto e il momento angolare.
Soluzione: W.Pauli ipotizzò che un’altra particella neutra, senza massa, venisse
emessa insieme con l’elettrone (1930).
Ex :
14
6
C147 N  e  ν
• E.Fermi: formulò teoria del decadimento β e chiamò la nuova particella neutrino.
Il fenomeno elementare è il decadimento del neutrone.
n pe ν
• La forza responsabile del decadimento è la forza debole.
Dove eravamo Elettromagnetica
nel ~1935?
Forte
• Gli atomi sono formati da tre particelle elementari: elettrone, protone e neutrone.
• Ipotesi del neutrino (rivelato sperimentalmente nel 1954)
• Vi sono 4 forze fondamentali tramite le quali le particelle interagiscono:
- forza forte: agisce sui nucleoni (adroni). Range ~ 10 -15m
- forza e.m.: agisce sulle particelle cariche. Range infinito.
-15
Range
~
10
m
- forza debole: agisce su tutte le particelle.
Gravitazionale
- forza gravitazionale:
agisce su tutte le particelle.
DeboleRange infinito.
• Scoperta del positrone (anti-elettrone) nel 1932, ipotizzato da Dirac nel 1928.
• Scoperta del mesotrone, particella prevista da Yukawa nella teoria della forza forte.
AVEVAMO CAPITO TUTTO (O QUASI!)
E poi?
• E poi successero tante brutte cose.
• Le leggi razziali in Italia (1938).
• Inizio della seconda guerra mondiale (1939).
Molti scienziati europei scapparono in America
• Fissione dell’atomo (1938).
Ex :
238
92
90
U145
57 La  35 Br  3n
• Nel 1942 Fermi realizzò a Chicago la prima
reazione a catena controllata (pila atomica)
• E infine nel 1945:
• Dopo la guerra, gran parte degli scienziati europei restarono in America.
• Si tornò alla ricerca fondamentale, abbandonando il nucleo.
Ma non è finita!!

Protone e neutrone non sono particelle
fondamentali, ma sono composte da altre
particelle (quark).

La ricerca continua.
Come si creano nuove particelle
Quando due particelle elementari
(elettrone, protone, pione, etc…)
urtano tra di loro ed hanno energia
sufficiente, possono produrre nuove
particelle che prima dell’urto non
esistevano.
E=
Esempio:
2
mc
p+n→p+p+π-
(il neutrone si trasforma in un protone ed un pione negativo)
N.B. Nell’urto vanno rispettate alcune leggi di conservazione: energia, carica,
momento angolare, numero barionico, numero leptonico, parità, etc…
I raggi cosmici
• Furono scoperti da V.Hesse nel 1912.
Sono costituiti da 86% protoni, 12% α
ed il restante 2% da altri nuclei.
• Scoperta del positrone (1932)
• Scoperta del mesotrone (1937) identificato
poi da Conversi, Pancini e Piccioni nel 1947
essere in realtà il muone, una replica pesante
dell’elettrone m  210  me e τ  2.2 10 -6 s
• Scoperta del π nel 1947, seguita dalla scoperta
di particelle “strane”, qualcuna più pesante del
protone. Chi lo ha
ordinato?
Studiare i raggi cosmici era difficile: esperimenti in alta quota, flusso ed energia
non controllati. Si volle riprodurre allora l’interazione primaria in laboratorio
accelerando protoni (o elettroni) e facendoli collidere con dei bersagli fissi.
Acceleratori: principio di funzionamento
Campo elettrico:
accelera.
Campo magnetico:
curva
Unita di misura energia: eV
Primo ciclotrone costruito da
E.Lawrence a Berkeley nel 1930
R
mv
Raggio di ciclotrone
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
- Prossimo passo: sincrotrone
E l’uomo creò i raggi cosmici
• 1952: BNL (Brookhaven National Laboratory, Long Island), COSMOTRONE
Protoni da 3 GeV. 2000 Ton. di ferro. 20 m di diametro.
Conferma la produzione associata delle particelle strane.
π  p  K  Λ (conservaz ione della stranezza nelle interazion i forti)
•1954: LBL (Lawrence-Berkeley Laboratory, California), BEVATRONE
Protoni da 6 GeV. 10000 Ton. di ferro.
E. Segrè scopre l’antiprotone (premio Nobel nel 1959).
p  p  p  p  p  p (conservaz ione del numero barionico)
• 1957: Dubna, SINCROFASATRONONE. 10 GeV, 36000 Ton. di ferro!
Per andare ad energie più alte occorreva un’idea per ridurre la quantità di ferro
dei magneti. Livingston inventa il focheggiamento forte (1952).
(Sempre nel 1952 D.Glaser inventa la camera a bolle.)
E l’Europa?
•
Nel dopoguerra l’Europa era in rovina. I fisici erano stati dispersi. Le
conoscenze scientifiche e le capacità tecniche erano passate negli USA.
•
Nel dicembre 1949, ad una conferenza culturale dell’ONU, Louis
de Broglie, raccomandò un laboratorio di ricerca internazionale.
•
Nel 1950 L’UNESCO approva una
risoluzione di I.Rabi e nel 1952, 11 paesi
europei partecipano al CERN
(Consiglio Europeo per la Ricerca
Nucleare). P.Auger e E.Amaldi sono i
padri spirituali del CERN.
•
Come sito del laboratorio fu scelto
Meyrin, un paese vicino Ginevra
•
Il 29 settembre 1954 nasce l’Organizzazione
Europea per la Ricerca Nucleare (CERN)
Gli stati membri del CERN oggi
Tutti i risultati delle
ricerche svolte al
CERN sono pubblicate.
Vi è il libero scambio
di informazioni.
Si svolge soltanto
ricerca di base, e non
c’è nessuna ricerca
militare o industriale
I paese membri
contribuiscono in
base al PIL
Il più grande laboratorio del mondo
Il CERN entra in gioco
• 1959: CERN, ProtoSincrotrone PS, 24 GeV, 3200 Ton., diametro 200 m
• 1960: BNL, AGS, 33 GeV, 4000 Ton., diametro 257 m
Inizia il “boom economico” anche per la fisica delle particelle. Dapprima
nei raggi cosmici, e poi con i nuovi acceleratori, vengono scoperte molte
nuove particelle, troppe. C’è molto lavoro anche per i fisici teorici.
E.Fermi ad un suo studente (L.Lederman): “ragazzo, se fossi in grado di ricordare il
nome di tutte queste particelle, sarei diventato un botanico”.
La prima risonanza scoperta da Fermi nel 1953 a Chicago, la Δ, suggerisce
che il protone potrebbe non essere una particella fondamentale
Altri fenomeni importanti: scoperta del neutrino mu nel 1962 all’AGS,
violazione della parità nel 1958, violazione di CP nel 1964 all’AGS.
E vennero ... i quark!
• Per mettere ordine nello zoo di particelle, Gell-Mann e Neeman, proposero
uno schema di classificazione basato su delle simmetrie (SU(3)), che
chiamarono : “la via dell’ottetto”.
• La via dell’ottetto prevedeva una nuova particella (1962), Ω-, scoperta nel 1964.
• Per spiegare la simmetria, Gell-Mann e Zweig, ipotizzarono che le particelle
soggette all’interazione forte fossero composte da particelle elementari.
Gell-Mann chiamò le nuove particelle: “quark”.
“Three quarks for Muster Mark” – James Joice’s Finnegans Wake
quark
carica
stranezza
up
+2/3 e
0
down
-1/3 e
0
strange
-1/3 e
-1
I quark sono oggetti molto bizzarri
con carica frazionaria. C’era molta
riluttanza nell’accettarli.
Barioni: 3 quark
Mesoni: un quark ed un antiquark
n
p
La scoperta dei quark
• A SLAC, un laboratorio vicino San
Francisco, entra in funzione nel 1967 il
“mostro”, un acceleratore lineare di
elettroni da 20 GeV lungo 2 miglia.
• Con un esperimento simile a quello di
Rutherford, ma usando come proiettili gli
elettroni, si dimostrò sperimentalmente che
dentro protoni e neutroni dovevano essere
presenti delle particelle puntiformi.
(Risultato poi confermato al CERN con un fascio di neutrini)
Le particelle fondamentali sono (nel 1968):
Leptoni: e-, ne, m-, nm
Quark: up, down, strange
Relative antiparticelle
Il Modello Standard
• Nel 1967 Weinberg e Salam (e Glashow) formularono una teoria unificata delle
interazioni elettromagnetiche e delle interazioni deboli. Si tratta di una teoria di
campo quantistica che supera le difficoltà teoriche insite nella teoria del
decadimento β di Fermi.
• La teoria prevede come mediatori delle interazioni deboli due bosoni massivi
-
carichi, W +e W , e un bosone massivo neutro, Z, mentre il fotone, bosone
neutro e senza massa, è il mediatore delle interazioni e.m.
• Per spiegare la massa non nulla delle particelle, la teoria utilizza il meccanismo
di Higgs (rottura spontanea della simmetria locale). Tale meccanismo necessita
l’esistenza di un altro bosone neutro, il “famigerato” bosone di Higgs, H.
Comincia la caccia ai bosoni W, Z e H
1973: prima evidenza sperimentale del Modello Standard.
Scoperta al CERN delle “correnti neutre” nelle interazioni neutrino-nucleone,
spiegabili con lo scambio di uno Z.
I mediatori delle forze
La forza forte agisce solo
sui quark ed è mediata dai
gluoni.
La teoria che descrive
l’interazione forte è la
cromodinamica quantistica
(QCD) [1973]
Gli anni magici: 1974÷1977
• 1970: Glashow, Iliopoulos e Maiani propongono l’esistenza di un quarto
quark, il “charm “ (fascino), carica +2/3 e.
• 1974: scoperta del charm. Ting a BNL e Richter a SLAC.
Qualche settimana dopo fu scoperto anche a Frascati spingendo oltre
i propri limiti Adone (collider elettrone-positrone di 3 GeV)
(Nella vita ci vuole fortuna  )
• 1975: scoperta a SLAC di un terzo leptone carico, il τ, di massa
~3500 maggiore di quella dell’elettrone e vita media 0.3 ps.
• 1977: scoperta a FNAL (Chicago) di un quinto quark, il “bottom” o “beauty”
(bellezza), carica –1/3 e. Il bottom fu scoperto ad un nuovo
acceleratore di protoni di 500 GeV, 2 km di diametro.
Per ragioni di simmetria, il Modello Standard prevede l’esistenza di un terzo
neutrino, il neutrino τ, scoperto a FNAL nel 2000 e di un sesto quark, il
“top” o “truth” (verità), scoperto a FNAL nel 1995, con una massa ~280mp
Lo stato attuale
(Visto!)
Il Nobel di Rubbia
• Nel 1976 entrò in funzione al CERN l’SPS, un acceleratore di protoni da
400 GeV, 2 km di diametro. L’energia non era però sufficiente per produrre W
e Z, la cui massa stimata era di 80÷90 GeV.
• L’idea di Rubbia fu di trasformare l’SPS in un
Collisore protone-antiprotone, seguendo quanto
era stato fatto a Frascati con Adone, il collisore
e+e- dove particella e antiparticella girano nello
stesso anello in senso contrario.
• Il problema era avere un numero sufficiente di antiprotoni idonei da far collidere
con i protoni (risolto da S.van der Meer con il raffreddamento stocastico).
- (270 + 270 GeV).
• Nel 1978 parte il progetto SppS
• Nel 1983 furono prodotti i primi W e Z rivelati nei detector UA1 (Rubbia) e UA2.
1984: premio Nobel a Rubbia e van der Meer
Il LEP
• Nel 1981 il CERN decide di costruire il più grande acceleratore del mondo:
il LEP. Si tratta di un collisore elettrone-positrone di 27 km di circonferenza. Gli
elettroni, al contrario dei protoni, sono delle particelle elementari, quindi
l’interazione elettrone-positrone è molto più “pulita” di quella protone-antiprotone. Lo stato iniziale è perfettamente noto e le previsioni teoriche del Modello
Standard possone essere verificate con maggiore accuratezza.
Tutta l’energia del centro di
massa è disponibile per creare
nuove particelle: E=mc2
• Nel 1983 inizia lo scavo del tunnel. La galleria ha un diametro di 3.8 m e si
trova a circa 100 m sotto il livello del suolo.
• Nel 1988 lo scavo del tunnel è terminato. All’epoca era la galleria più lunga
d’Europa, superata ora solo dal tunnel sotto la manica.
LEP: vista aerea
Opal
Jura
Lake of
Geneva
Aleph
aereoporto
9 km
SPS
Delphi
LEP
L3
CERN
Francia
Svizzera
LEP: il tunnel.
quadrupolo
Tubo a vuoto
dipolo
Il rivelatore L3
Sala controllo dell’esperimento L3
LEP: i risultati
• Il 14 luglio 1989 circola il primo fascio di elettroni nel LEP. Il 15 agosto si ha
la prima collisione e+e-. L’energia del centro di massa è uguale a mZ (~91 GeV).
• Dal 1989 al 1995 vengono prodotti circa 17 milioni di Z nei 4 esperimenti.
Questo ha permesso di misurare la massa
dello Z con una precisione dello 0.02‰ e
di verificare l’accuratezza delle previsioni
del MS al meglio del percento.
Tramite l’effetto delle correzioni radiative è
stata prevista la massa del top di 181±10 GeV.
Il valore misurato a FNAL è di 174±5 GeV.
• Dal 1995 al 2000 l’energia del LEP è aumentata fino a 208 GeV. È continuata la
ricerca del bosone di Higgs e di nuove particelle. Il MS è più solido che mai!
• L’Higgs, se esiste, ha una massa maggiore di 115 GeV.
La ricerca continua a LHC.
Il numero di famiglie di neutrini
Il Modello Standard organizza le particelle
elementari in famiglie.
Il Modello non prevede il numero di
famiglie e prima dell’avvento del LEP,
una quarta famiglia non era esclusa.
• Dalla larghezza della risonanza dello Z e dal metodo del fotone singolo:
e  e   ν νγ
LEP:Nn=2.984±0.008
L3:Nn=2.98±0.10
Le famiglie di neutrini leggeri sono 3!
LHC
• Nel dicembre 1994 il CERN approva ufficialmente la costruzione di LHC.
(Large Hadron Collider). Si tratta di un collisore protone-protone con magneti
superconduttori di 8 T, da istallare nel tunnel del LEP.
• L’energia del centro di massa sarà di 14 TeV, 7 volte maggiore del Tevatron
(il collisore protone-antiprotone attualmente in funzione a FNAL).
I fasci si incroceranno con una frequenza di 40 MHz (ogni 25 ns).
• LHC è una sfida tecnologica a tutti i livelli, pari al progetto Manhattan o allo
sbarco sulla Luna, ma con mezzi e organizzazione completamente diversi.
• Sul collisore vi sono due esperimenti principali, Atlas e CMS (più LHCb
e Alice), anch’essi spinti al limite della tecnologia.
• LHC dovrebbe entrare in funzione nel 2007.
LHC darà sicuramente delle risposte importanti alle nostre domande
I dipoli di LHC
1233 dipoli principali
14.3 m di lunghezza ognuno
8.33 Tesla (max nel ferro 2 T)
11.7 kA (bobina superconduttrice)
Le bobine superconduttrici sono
raffreddate a 1.9 K (la radiazione di
fondo cosmica è a 2.7 K).
LHC sarà il punto più freddo
dell’universo.
ATLAS
Precisione meccanica nella
costruzione e allineamento delle
camere a muoni: 20 μm!
25
m
46
m
Per la costruzione di ATLAS partecipano
circa 1800 fisici di 170 istituti
ATLAS: fotomontaggio
Conclusioni
• I costituenti fondamentali della materia sono i leptoni e i quark!
• Le interazioni fondamentali sono 4: forte, e.m., debole e gravitazionale.
L’interazione e.m e l’interazione debole sono “descritte” dalla medesima teoria,
il Modello Standard (le interazioni forti sono descritte dalla QCD).
• Molte domande ancora senza risposte, ad esempio:
- l’origine delle masse,
- l’uguaglianza della carica elettrica del protone e dell’elettrone,
- perché esistono tre famiglie di particelle
- perché vi è una netta separazione tra “fermioni” e “bosoni”
- dove è finita l’antimateria
• Il Modello Standard è probabile che non sia la “teoria finale”. Una estensione
del MS è la supersimmetria (SUSY). Questa prevede molte nuove particelle
che non sono state ancora trovate.
LHC sarà in grado di rispondere a molte di queste domande, in particolare
trovare il bosone di Higgs e, se esistono, le particelle supersimmetriche!