DAL QUARK AL WWW I cinquant’anni del CERN tra Fisica delle Particelle e Internet Chiara Mariotti INFN-Torino Giovedi’ Scienza - 26/2/04 26 Febbraio 2004 - Giovedi’ Scienza - Torino Chiara Mariotti -INFN Torino 1 Il CERN: cosa è e perché ? Centro Europeo di Ricerca Nucleare È il più grande laboratorio al mondo per la ricerca nel campo della fisica delle particelle. Come laboratorio fornisce i mezzi agli scienziati per le loro ricerche: gli ACCELERATORI e i RIVELATORI Al CERN si studiano le leggi principali che governano la natura, si fa ricerca “pura”, con lo scopo di imparare di più riguardo al nostro universo. Le eventuali applicazioni possibili e i benefici per la società arrivano a posteriori! Giovedi’ Scienza - 26/2/04 Chiara Mariotti -INFN Torino 2 Il CERN LEP/LHC SPS Giovedi’ Scienza - 26/2/04 Chiara Mariotti -INFN Torino 4 Gli Stati Membri Giovedi’ Scienza - 26/2/04 Chiara Mariotti -INFN Torino 5 Le Particelle Elementari Negli ultimi 50 anni si è scoperto che l’universo è costituito da particelle elementari (puntiformi). Combinate tra loro formano la materia di cui siamo fatti. Giovedi’ Scienza - 26/2/04 Chiara Mariotti -INFN Torino 6 Le Forze Le particelle elementari interagiscono tra loro tramite messaggeri, che sono altre particelle, dette “particelle forza”. Le forze che conosciamo in natura sono: Forza gravitazionale: Caduta dei corpi, moto stellare… Il messaggero si pensa sia il gravitone Forza elettromagnetica: corrente, magneti, atomi, chimica… Il suo messaggero è il fotone Forza forte: Forza debole Giovedi’ Scienza - 26/2/04 tiene uniti i protoni e i neutroni nel nucleo anche se di carica uguale e tiene uniti i quark Il suo messaggero è il gluone radioattività, attività solare … I suoi messaggeri sono i W e la Z Chiara Mariotti -INFN Torino 7 Le Particelle Fondamentali: Il MODELLO STANDARD piu’ pesante Carica elettrica +2/3 -1/3 0 -1 u c Le particelle forza t quark d s b ne nm nt e m t g gluoni (8) g fotone W+,W-, Z bosoni H Higgs ?? leptoni I quark non esistono liberi in natura: le particelle che vediamo sono composte da coppie di quark o da tripletti di quark ex: protone: “uud” , neutrone “udd”.. Giovedi’ Scienza - 26/2/04 Chiara Mariotti -INFN Torino 8 Le Particelle Fondamentali: Il MODELLO STANDARD Le particelle forza u c t g gluoni (8) g fotone d s b W+,W-, Z bosoni ne nm nt e m t La materia di cui siamo fatti Giovedi’ Scienza - 26/2/04 H Higgs ?? Si possono produrre in laboratorio Raggi cosmici + le antiparticelle ossia l’antimateria Chiara Mariotti -INFN Torino 9 Energia=Massa Quando Materia e Antimateria si incontrano, si annichilano, ovvero producono energia sotto forma di fotoni o di altre particelle. Più in generale: Einstein: E=mc2 la massa si può trasformare in energia e viceversa. quark elettrone Vengono create nuove particelle composte da tutti i tipi di quark (ud+scbt), che vivono pochissimo (10-6 – 10-25 secondi) Giovedi’ Scienza - 26/2/04 Chiara Mariotti -INFN Torino 10 Energia I fisici usano il GeV - Giga ElectronVolt = 109 eV m(protone) = 0.938 GeV -> 1.67262158(31) x 10-27 Kg m(elettrone)= 0.0005 GeV -> 9.109 x10-31 Kg =(1/2000 m(p)) elettrone E =1 eV - + 1 Volt Giovedi’ Scienza - 26/2/04 Per dare ad un elettrone l’energia di 1GeV, dovremmo mettere di seguito 109= 1000000000 pile da 1 Volt !! .... Perche’ vogliamo accelerare le particelle a così alte energie? Chiara Mariotti -INFN Torino 11 Perché accelerare? Possiamo vedere fino a dimensioni di ~10-2 cm La meccanica quantistica ci dice che le particelle si comportano come un’onda e viceversa. elettrone l = h/E Tanto più la lunghezza d’onda è piccola / ovvero tanto più l’energia è grande tanto più piccole sono le dimensioni che possiamo esplorare/vedere I microscopi elettronici possono esplorare regioni di ~10-6 cm – cellule / DNA Per andare oltre (10-13-10-15 cm) dobbiamo accelerare oltre le particelle. Giovedi’ Scienza - 26/2/04 Chiara Mariotti -INFN Torino 12 Gli Acceleratori Acceleriamo particelle portandole ad energie di molti eV e poi le facciamo scontrare con altre particelle accelerate o con dei bersagli: - per studiare cosa succede durante l’interazione a < 10-13 cm - per produrre nuove particelle grazie a E=mc2 Studiando le particelle prodotte (quante sono, quali sono, le loro caratteristiche etc.) possiamo capire cosa è successo al momento dell’urto e risalire ai processi fondamentali che regolano la natura (ad esempio produrre i messaggeri delle forze elettrodeboli W e Z - che spiegano la radioattività e i processi all’interno del sole) Giovedi’ Scienza - 26/2/04 Chiara Mariotti -INFN Torino 13 I Rivelatori Per studiare cosa succede nell’urto, ossia le particelle prodotte, abbiamo bisogno di RIVELATORI = oggetti che ci permettono di “vedere” queste particelle: Un rivelatore è formato da un insieme di sotto-rivelatori che misurano proprietà diverse delle particelle: Giovedi’ Scienza - 26/2/04 Chiara Mariotti -INFN Torino 14 La Nascita del CERN Se acceleriamo particelle e le facciamo scontrare contro un bersaglio fisso: molta dell’energia disponibile “portata“ dalla particella viene persa nel rinculo del bersaglio e/p Se invece acceleriamo due particelle e le facciamo scontrare, tutta l’energia di entrambe è a disposizione per essere trasformata in massa: p p Questi tipi di progetti porto’ nel 1950 alla fondazione del CERN In quanto una sola nazione non avrebbe avuto le risorse sufficienti Giovedi’ Scienza - 26/2/04 Chiara Mariotti -INFN Torino 15 1954: nasce il CERN Il CERN fu fondato nel 1954. Uno dei padri fondatori fu Edoardo Amaldi che fu il primo direttore del CERN. DG italiani: Carlo Rubbia (inizio era LEP, via al progetto LHC) Luciano Maiani (fine LEP, inizio costruzione LHC) Da 50 anni il grande successo del CERN è stato per lo piu’ dovuto al gruppo che lavora sugli acceleratori (molti gli italiani, tra cui con ruolo principale e dirigente Franco Bonaudi di Torino.) Giovedi’ Scienza - 26/2/04 Chiara Mariotti -INFN Torino 16 Il complesso degli acceleratori 24-Nov-1959: PS (Proton Sincrotron) Funziona tutt’oggi! Accelera e-,e+ , p+,pLEP/ 27-Gen-1965: ISR (Intersecting Storage Ring) Prima collisione al mondo protone-protone. 1979: SPS (Super Proton Sincrotron) 1983: SPS SppS: Prima collisione al mondo Protoni-Antiprotoni Premio Nobel a Rubbia per la scoperta W e Z. 1989: LEP (Large Electron Collider) Accelera elettroni-positroni. Dal 1989 al 1995 : E(e) = 50 GeV Dal 1995 al 2000 nuove frontiere di enegia! Stop nel 2000 trionfo del Modello Standard 2007 : LHC (Large Hadron Collider) Giovedi’ Scienza - 26/2/04 Chiara Mariotti -INFN Torino 17 1973: Camere a Bolle 1973: prodotti da un fascio estratto dal PS, i neutrini interagiscono in una camera a bolle (liquido pesante tenuto in sovrapressione): particella carica -> bollicine -> fotografia. Si scoprono reazioni tra particelle che possono essere dovute solo al mediatore “particella-forza” Z, ipotizzata dal Modello Standard Esperimento Gargamelle (Milano e Torino) Giovedi’ Scienza - 26/2/04 Chiara Mariotti -INFN Torino 19 L’era elettronica Foto camere a bolle: procedimento lento sia per acquisizione sia per lettura 1968: Georges Charpak al CERN inventa la Camera Proporzionale a Multi-fili Nel suo gruppo: F. Sauli e T. Bressani (To) Premio Nobel nel 1992 ! Camera con gas+ Fili sotto alta tensione particella ionizza il gas le cariche sono raccolte dal filo piu’ vicino segnale elettronico Giovedi’ Scienza - 26/2/04 Si passa all’era totalmente elettronica! - Rapidità di acquisizione e di lettura - Possibilità di processamento con computer Chiara Mariotti -INFN Torino 20 1983: Scoperta di W e Z 1979-1982: Carlo Rubbia converte SpS in SppS: Energia disponibile 30 volte superiore! Ovvero convertendo l’acceleratore di protoni, in collisionatore protone-antiprotone, si poteva raggiungere l’energia sufficiente per creare in laboratorio le particelle W e Z (indicazione sulla loro massa da Gargamelle+teoria) scoperte le particelle forza W+,W- e Z messaggeri delle Interazioni Deboli C.Rubbia e S.van der Meer Premio Nobel 1984 Giovedi’ Scienza - 26/2/04 Chiara Mariotti -INFN Torino 21 Il primo W e la prima Z p p e Wne Ze+eGiovedi’ Scienza - 26/2/04 Chiara Mariotti -INFN Torino 22 LEP Subito dopo la scoperta di W e Z fu approvato il progetto di un collisionatore elettroni-positroni per studiare con precisione queste due particelle-forza e dunque il Modello Standard PERCHÈ collisionatore e+e-? e+ e- Urto “pulito”, E=E(e+)+E(e-) quark p+ quark p- Urto “complesso”, E<1/3(E(p+)+E(p-)) L’idea originale di un collisionatore di elettroni e positroni fu di Bruno Touschek (Frascati) Il primo anello e+e- fu ADA (dal nome della zia preferita di B.T!) a Frascati nel 1961: Raggio di 65 cm, E(e) = 0.250 GeV Giovedi’ Scienza - 26/2/04 Chiara Mariotti -INFN Torino 23 LEP Large Electron Positron collider anello di 27 Km di circonferenza, 100 m sotto terra 1983: inizio scavi - più grande lavoro di ingegneria civile europeo agosto 1989: prima interazione a E=91 GeV 1995 - 2000: E=130 – 209 GeV !!!! Molti italiani coinvolti sull’acceleratore LEP: E.Picasso direttore LEP, F. Bonaudi (To) Giovedi’ Scienza - 26/2/04 Chiara Mariotti -INFN Torino 24 LEP 4 grandi esperimenti: ALEPH, DELPHI, L3 e OPAL Capi esperimento Italiani: U.Amaldi, A.Michelini, L.Foa, L.Rolandi, T.Camporesi, R.Tenchini + 2 premi nobel: S.Ting e J.Steinberger. Responsabili della fisica Italiani: S.Gentile, C.Mariotti, S.Mele, G.Rolandi, R.Tenchini Per la teoria del Modello Standard: teorici italiani, in particolare di Torino (Torino) Giovedi’ Scienza - 26/2/04 Chiara Mariotti -INFN Torino 25 Risultati di LEP LEP: Il trionfo del Modello Standard LEP verifica il Modello Standard con altissima precisione (~10-5): - misura le masse Z e W - misura gli “accoppiamenti” : Z/W-leptoni , Z/W-quark - determina che le famiglie di leptoni sono 3 ! eeW+W qqqq Z qq N(n)=3 Giovedi’ Scienza - 26/2/04 Chiara Mariotti -INFN Torino 26 L’origine della massa Ma manca ancora qualche cosa… Qual è l’origine della massa ? Nel Modello Standard il responsabile della massa è la particella di Higgs Questa particella interagendo con tutte le altre particelle fondamentali e con le particelle forza dona loro la massa. (Questo meccanismo è detto “rottura spontanea di simmetria”) Nel Modello la massa della particella di Higgs deve essere al di sotto di 1 TeV (1000 GeV), altrimenti la teoria non è più valida Il nuovo acceleratore al CERN ha come scopo principale indagare quale sia l’origine della massa: è l’Higgs? qualcos’altro già ipotizzato? o qualcosa mai pensato fino ad ora ? Giovedi’ Scienza - 26/2/04 Chiara Mariotti -INFN Torino 27 Le masse delle Particelle Fondamentali Massa (GeV) u ~0.1 c ~1.5 d ~0.1 s t Le particelle forza ~180 b ~4.5 ne nm nt ~0. ~0. e m ~0.0005 ~0.100 Giovedi’ Scienza - 26/2/04 g gluoni (8) 0 g fotone 0 W+,W-, Z bosoni ~0.3 Massa 80/90 GeV Il modello standard non predice le masse delle particelle. I valori delle masse sono stati misurati sperimentalmente ~0. t ~1.7 Chiara Mariotti -INFN Torino 28 LHC 2007: Large Hadron Collider In fase di costruzione nel tunnel di LEP / urti protoni - protoni 7x103 GeV Energia dei protoni 1011 protoni per “pacchetto” 2832 pacchetti 40.000.000 interazioni al secondo 7.5 m (25 ns) 7 TeV Protone – 7 TeV Protone 4 interazioni “tra pacchetti “ ogni 10-7 secondi 1 interazione protone-protone ogni 10-9 secondi Collisione tra quark o gluoni 1 particella nuova prodotta ogni 10-5 secondi Giovedi’ Scienza - 26/2/04 Chiara Mariotti -INFN Torino 29 Higgs a LHC Evento simulato di produzione di Higgs Il protone è formato da quark e gluoni: 2 gluoni interagiscono e producono Higgs gli altri quark e gluoni interagiscono producendo molte particelle: pp H +X mmmm + X Giovedi’ Scienza - 26/2/04 Chiara Mariotti -INFN Torino 30 I lavori procedono CMS Lunghezza 21.6m Diametro 14m Massa 12500 Ton 2008 fisici+ingegnieri 78 Milioni di canali elettronici Dati raccolti /secondo = traffico di tutte le telecom del mondo/secondo 160 istituti 36 paesi (Torino) Giovedi’ Scienza - 26/2/04 Chiara Mariotti -INFN Torino 31 Conclusioni Sappiamo molto poco e vorremmo saperne di più: Proseguiamo per 2 strade - cercando cose nuove - capendo a fondo quelle che abbiamo già trovato. Il CERN e’ dunque: La voglia di capire La curiosità di scoprire Le sempre continue sfide intellettuali, tecnologiche Costruire e far funzionare Misurare con precisione Un’avventura umana senza precedenti Giovedi’ Scienza - 26/2/04 Chiara Mariotti -INFN Torino 32
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