Tommaso Dorigo
INFN, sezione di Padova
L’esplorazione del
microcosmo con gli
acceleratori di particelle
Pieve di Cadore, 17 gennaio 2015
Mi presento...
•
•
•
•
•
Sono un ricercatore
dell’Istituto Nazionale di
Fisica Nucleare, e lavoro
al dipartimento di Fisica di
Padova.
Collaboro con
l’esperimento CMS al
CERN di Ginevra dal 2001
(in precedenza:CDF, al
Tevatron di Chicago)
Dirigo la commissione di
statistica dell’esperimento
CMS
Faccio divulgazione
scientifica in un blog,
quantum_diaries_survivor
Sito web:
http://www.science20.com
/quantum_diaries_survivor
E-mail: [email protected]
Breve introduzione
•
•
•
•
•
La dote fondamentale di un ricercatore non è tanto quella di saper trovare
risposte, ma di sapersi porre le domande giuste
Di cosa è fatto il mondo ? Cosa lo tiene insieme ?
Democrito, nel IV secolo a.C., ipotizza che la materia sia fatta di atomi, (“che
non possono essere tagliati”) dotati di dimensioni, forma, e peso diversi, e
vuoto tra essi.Tutte le proprietà della materia che sperimentiamo sono dovute
alle interazioni fra essi.
Democrito ha ragione. Ma per rispondere alla domanda un po’ più in dettaglio
dobbiamo trovare i costituenti davvero elementari della materia, e capire
come interagiscono per creare l’incredibile varietà del nostro mondo.
Cosa vuol dire “elementare” ?
– Elementare:
• semplice
• che non ha struttura
• che non può essere ulteriormente semplificato,
o suddiviso in parti più semplici
– Elementare:
• che rappresenta l’ingrediente base di tutto
Particelle e forze
•
Se scopriamo che la materia è fatta di un certo numero di particelle
elementari, non abbiamo spiegato ancora quasi nulla…
Serve una precisa comprensione del modo in cui esse interagiscono, come
si combinano per creare ciò che ci circonda
•
Scopriremo che le possibili interazioni tra le particelle sono dovute alla
propagazione di forze dovute allo “scambio” di altre particelle, dette “bosoni
vettori” dell’interazione!
•
Si tratta di un salto logico piuttosto forte rispetto al modo che abbiamo di
percepire le forze a noi note per esperienza quotidiana (gravità,
magnetismo)
Lo scambio di questi bosoni vettori è governato da leggi fondamentali: il
nostro scopo è di comprenderle
•
– Una volta capito come le particelle di materia “sentono” i loro vicini, ci è possibile
formulare un modello delle “strutture” che si possono costruire con esse.
•
Ci servono alcune armi fondamentali nella nostra indagine. Vediamo quali
sono.
1- il principio di Occam
William of Ockham, monaco inglese del 14esimo
secolo, espresse una lex parsimoniae che è un
fondamentale strumento nella ricerca:
“Entia non sunt multiplicanda praeter necessitatem”
Ovvero, le spiegazioni economiche della natura che ci circonda
sono da preferirsi a quelle più fantasiose e complicate, che
introducano più assunzioni e postulati.
Questo principio è sottovalutato, ma i fisici delle particelle lo
posseggono nel proprio “patrimonio genetico”: è un modo di
pensare, di ragionare sui fenomeni naturali.
2 – La classificazione
La classificazione è un potente strumento di analisi, utile in tutte le scienze.
– Identificare delle caratteristiche comuni degli oggetti che si studiano permette
di dividerli in classi
– Le proprietà di ogni nuovo oggetto identificato possono essere desunte dalla
sua appartenenza a una classe, per similarità con gli altri elementi già studiati
– Una eventuale struttura ripetitiva nell’organizzazione interna delle classi può
permettere di prevedere l’esistenza di nuovi elementi e indovinarne a priori le
caratteristiche, o anche di nuove classi.
La classificazione è un paradigma di fondamentale
importanza anche per la fisica nel XX secolo, come vedremo.
3 – l’indagine spettroscopica
Le sostanze chimiche in forma gassosa esibiscono spettri
di emissione: se eccitati (ad es. in un campo elettrico)
emettono luce di particolari colori. Le lunghezze d’onda
sono misurabili con strumenti che le separino
spazialmente, come un prisma.
Gli spettri di emissione atomici sono un complicato
labirinto di molte diverse righe. Le “serie” di righe
corrispondono a diversi valori dell’energia finale
dell’atomo.
I livelli energetici dipendono dalle caratteristiche degli
atomi, per cui ogni atomo ha una carta d’identità,
costituita dalle sue righe di emissione. Lo spettro di
emissione e’ organizzato in MULTIPLETTI di righe.
Un codice a barre!
Un’ultima arma fondamentale:
lo sviluppo tecnologico
La scienza non può progredire
senza il supporto di una adeguata
tecnologia
La tecnologia non può perfezionarsi
senza passi avanti della scienza
Se guardiamo alla storia della
scienza, scopriamo uno sviluppo
logico di questi concetti: le due
discipline procedettero a braccetto
dall’invenzione della ruota ai giorni
nostri.
Cosa c’è dentro ?
Per studiare le microstrutture si cerca di ingrandirne
l’immagine con un microscopio
• Vediamo una immagine ingrandita dell’oggetto da
studiare facendoci rimbalzare contro o passare
attraverso delle particelle di luce – i fotoni
• Non si può andare molto al di sopra di qualche migliaio di
ingrandimenti: si incontra il limite dovuto alla diffrazione
della luce
• Con fasci di elettroni si può fare molto meglio, ma anche
in quel caso si rimane limitati dallo stesso effetto a circa
2 milioni di ingrandimenti.
– Ma per studiare come sono fatti gli atomi, serve un
ingrandimento molto maggiore!
• La risposta è nell’aumentare l’energia del corpo con
cui si sonda la materia. Dobbiamo abbandonare
l’idea di formare una “immagine”, e utilizzare
invece l’interazione fra proiettile e bersaglio per
capire la struttura di quest’ultimo.
J.J.Thomson e l’elettrone
• Thomson nel 1897 scopre l’elettrone, con un tubo a raggi
catodici inventato pochi mesi prima da Karl Braun.
Misurando la deflessione dei raggi in un campo elettrico e
magnetico, ne determina il rapporto fra carica elettrica e
massa.
• Esperimento fondamentale anche per mostrare che è il
progresso tecnologico, di solito, a rendere possibile una
nuova scoperta.
Il tubo a raggi catodici è il precursore non solo del televisore che ave(va)te in casa,
ma anche degli strumenti che oggi usiamo per sondare la materia,
gli acceleratori di particelle.
Ernest Rutherford
e la struttura dell’atomo
•
Nel 1907 non c’era ancora la tecnologia necessaria a creare proiettili
dell’energia necessaria, ma Rutherford usa ciò che ha: i decadimenti di
sostanze radioattive.
•
Nel famoso esperimento da lui diretto, le particelle alfa (nuclei di atomi
di elio, emessi da una sorgente radioattiva) vengono dirette contro una
sottile lamina d’oro
•
Con un cristallo scintillante è possibile osservare le particelle alfa
deviate dal fascio, a diversi angoli da esso
•
Se gli atomi sono formati da una “pappa” carica positivamente in cui
alloggiano gli elettroni, le pesanti particelle alfa dovrebbero
attraversare la lamina quasi indeflesse.
•
Invece, i suoi assistenti Geiger e Marsden osservano
che in rari casi le particelle alfa vengono deflesse
a grande angolo, alcune addirittura rimbalzando
indietro!
a
a
a
sorgente
Con Rutherford il paradigma della microscopia cambia:
se vuoi studiare qualcosa e non riesci a vedere dentro,
rompilo lanciandoci contro qualcos’altro!
lamina
d’oro
L’invenzione di una nuova scienza
I progressi teorici e sperimentali dell’inizio del XX secolo sono
enormi, e non possiamo che citarne alcuni qui:
La relatività di Einstein
La formulazione della meccanica quantistica
La scoperta del nucleo, del neutrone, dell’antimateria
La teoria di Fermi dei decadimenti radioattivi
Negli anni ’30, si conoscono l’elettrone, il
protone, e si scopre il neutrone. Si sa
descrivere la luce come formata da fotoni.
Tutto pare chiaro e ben ordinato, ma lo
studio dei raggi cosmici e alcune reazioni
nucleari indicano che c’e’ ancora molto da
capire.
Un problema insoluto è quello dei
decadimenti nucleari: se questi sono dovuti
a un neutrone che diventa un protone
emettendo un elettrone, perche’ l’elettrone
non ha sempre la stessa energia ?
I raggi cosmici
• I raggi cosmici si manifestano come radiazione
ionizzante incidente sull’atmosfera: scoperti da Victor
Hess nel 1912 con esperimenti ad alta quota
• Anderson nel 1933 vi identifica particelle di carica
positiva, e tutte le altre caratteristiche eguali a quelle
degli elettroni: antimateria!
• Si scopre negli anni ’30 che la radiazione primaria è
elettricamente carica (si pensava prima fossero fotoni)
• Oggi sappiamo che si tratta di protoni e nuclei leggeri
• Nei raggi cosmici secondari viene scoperto il muone –
particella penetrante, con caratteristiche simili a quelle
dell’elettrone
Che c’azzecca il muone ?
disse Isidor Rabi…
Il ciclotrone
Se esistono altre particelle oltre quelle
conosciute (elettroni, protoni, neutroni,
fotoni), deve essere possibile crearle in
laboratorio, disponendo di un
acceleratore sufficientemente potente!
Infatti, l’equazione di Einstein E=mc2
prevede che in collisioni che liberino
sufficiente energia si possano
materializzare particelle massive
I progressi tecnologici vengono in
aiuto: Lawrence costruisce il primo
ciclotrone nel 1929.
Il ciclotrone è un disegno primitivo:
null’altro che un paio di elettrodi cavi
all’interno dei quali le particelle eseguono
traiettorie a spirale, accelerati da una
differenza di potenziale e tenuti in orbite
circolari da un intenso campo magnetico
assiale.
Un salto in avanti: il sincrociclotrone
•
•
•
L’evoluzione degli strumenti per accelerare le particelle (protoni e elettroni, ma
non solo) segna il passo delle più importanti scoperte in Fisica nel XX secolo
Dal ciclotrone di Lawrence si passa al betatrone, al sincrotrone, e poi al
sincro-ciclotrone...
Due concetti di base:
– 1) l’accelerazione avviene quando una particella carica attraversa una differenza di
potenziale (un campo elettrico)
– ma i campi elettrici non possono essere aumentati indefinitamente. Quindi delle due
l’una:
o si costruiscono migliaia di cavità acceleranti  acceleratori lineari (LINAC)
o si fa ripassare il fascio di particelle nelle stesse cavità molte volte!  acceleratori circolari
– 2) servono potenti magneti per curvare le traiettorie delle particelle
• ma attenzione: cariche elettriche fatte curvare “irradiano” energia e decelerano
 Servono quindi grandi dimensioni per tenere piccola la perdita di energia
•
Lo sviluppo tecnologico (materiali superconduttori, elettronica di controllo)
procede di pari passo con la costruzione di macchine sempre più potenti
Come rivelare le particelle ?
Tra gli anni ’30 e gli anni ’60 vengono scoperte
dozzine e dozzine di nuove particelle: è l’inizio di
una nuova scienza
Lo strumento principe per la rivelazione e lo
studio delle reazioni prodotte è la camera a
nebbia, poi migliorata nella camera a bolle
In una camera a nebbia, un vapore sovrasaturo
condensa in goccioline microscopiche lungo la
traiettoria delle particelle cariche ionizzanti
La camera a bolle usa invece un liquido
sovrariscaldato da una brusca variazione di
pressione in coincidenza con l’attraversamento
delle particelle ionizzanti
 si formano bolle lungo le traiettorie.
Un intenso campo magnetico le curva in modo
inversamente proporzionale all’energia
La classificazione delle particelle
• Con l’aumentare dell’energia disponibile nelle collisioni prodotte dagli
acceleratore, si scopre una messe di nuove particelle
– Tutte instabili, decadono in brevissimo tempo
– Sembrano organizzabili in famiglie, secondo il modo in cui vengono più
frequentemente prodotte, il modo in cui decadono, eccetera. Multipletti…
Una parola che dovrebbe far suonare un campanello
– I primi membri:
• i pioni p+,p-, p0 hanno massa intorno a 140 MeV;
• i kaoni K+,K-,K0, di massa intorno ai 500 MeV;
• i barioni D-, D0, D+, D++ hanno massa di poco superiore al GeV.
•
NB: “scoprire una particella” significa osservarne il decadimento
in corpi più leggeri, e dedurne da questi massa e altre caratteristiche.
NNB: in fisica delle particelle si usa come unita’ di energia e massa l’elettronvolt, eV,
e quantità derivate: il keV =1000eV, il MeV=1000 keV, il GeV=1000 MeV, il TeV=1000 GeV
Un protone “pesa” 1 GeV; un elettrone solo 0.5 MeV. Il quark top pesa 173 GeV !
L’ipotesi dei quarks
La misura è colma negli anni ’60, gli indizi sono sufficienti.
I nuovi Mendeleev sono Murray Gell-Mann e George
Zweig, che nel 1964 concepiscono l’esistenza di una
struttura soggiacente alla gran quantità di particelle fino
ad allora classificate
I mesoni e i barioni non sono altro che l'unione di due e
tre quarks, aventi numero barionico 1/3,
stranezza 0 o 1, e cariche elettriche +2/3, -1/3
Up (u), Down (d), Strange (s) sono i nomi loro assegnati
E’ una spiegazione economica! Tuttavia viene
percepita come un artificio matematico: pochi
.
credono
che i quarks siano davvero reali
La rivoluzione di novembre
Nel 1974 due esperimenti concorrenti, guidati da Burton
Richter (a destra) e Samuel Ting (in basso), identificano
una particella finora sconosciuta, chiamata J/ψ e di
massa pari a 3.1 GeV. La J/ψ decade in coppie di muoni,
ed ha tutte le caratteristiche che ci si aspetta dalla
composizione di due quarks pesanti!
La J/ψ viene immediatamente
riconosciuta come uno stato
legato di due quarks charm. Il
modello a quarks trionfa!
Come è possibile
convincersi che la
nuova particella è
formata da due
quark charm ?
5 premi nobel per il charm!
…Con la spettroscopia!
Proprio come lo studio degli spettri atomici ci permette di
determinare i livelli energetici permessi a un elettrone in
orbita attorno a un nucleo, così lo studio dello spettro di
massa degli stati eccitati del charmonio – i vari stati simili
alla J/ψ – permette di verificare che il modello fisico (stato
legato di due quark charm) è accurato!
Ricordate il codice a barre ?
Si scopre che i livelli
energetici del charmonio
hanno struttura identica a
quelli del positronio, stato
legato elettrone-positrone,
nonostante vi siano otto ordini
di grandezza di differenza fra
le energie dei due stati!
Infatti, la struttura del
positronio e quella del
charmonio è identica: si tratta
di corpi composti da due
fermioni di eguale massa, in
orbita l’uno intorno all’altro.
E i quarks sono sei !
• La scoperta del charm convince tutti: i quarks sono corpi reali, non
artifici matematici
• I corpi elementari che costituiscono la materia sono dunque quarks e
leptoni
• Ma i quarks non sono 4, bensì 6 ! E qualcuno lo aveva previsto fin dal
1973: Kobayashi e Maskawa (2 premi nobel per la loro idea)
Solo con almeno sei quarks si può spiegare una caratteristica dei mesoni
K scoperta nel 1964: la violazione della simmetria CP (altri 2 premi nobel)
• A partire dal 1974, tutti si mettono a caccia dei due rimanenti quarks: il
bottom e il top.
• E anche del terzo leptone carico, chiamato tau.
• Il quark bottom viene scoperto nel 1977, e il quark top nel 1995 –
entrambi al laboratorio Fermilab di Chicago
• Il leptone tau viene invee scoperto dalla stessa macchina che ha
trovato la J/ψ, SLAC nel 1975 – un premio nobel anche per Martin Perl
E le forze ? 1 – La QCD
•
•
L’interazione forte, responsabile della stabilità degli adroni, è descritta da
una teoria chiamata Cromodinamica Quantistica (QCD). I quarks
interagiscono scambiandosi particelle vettori della forza, otto gluoni
I gluoni non hanno massa, e scambiano il colore dei quarks (la loro “carica”).
g
q
q
q
q’
q’
q
•
•
Una caratteristica dell’interazione forte è che la sua energia potenziale
aumenta linearmente con la distanza, come quella di una molla
Ne deriva che non si possono separare i quarks fra di loro!
Se infatti immaginiamo di “tirare” due
quarks allontanandoli, dobbiamo esercitare
una sempre maggiore forza per separarli
Spendiamo dell’energia che a un certo punto
è sufficiente alla creazione di due nuovi
quarks, che si ricombinano con i precedenti!
2 – L’interazione debole
Le interazioni deboli, responsabili della radioattività e di alcuni fenomeni
fondamentali per far brillare le stelle, sono il risultato dello scambio di particelle
molto massive, i bosoni vettori W e Z
I bosoni vettori carichi hanno capacità di trasformare un quark in un altro, o un
leptone in un altro
La loro grande massa rende difficile osservarle...
Nel 1983, gli esperimenti UA1 e UA2 al CERN faranno
finalmente centro, e nel 1984 Rubbia e Van der Meer
ottengono il premio Nobel per la Fisica
3 – l’interazione elettromagnetica
•
L’interazione elettromagnetica è trasportata dal
fotone, particella priva di massa
•
Nel modello standard il fotone, la Z, il W+ e il W- sono
quattro diversi bosoni che provengono dalla stessa
interazione, “elettrodebole”.
•
Il fotone media interazioni fra particelle con carica
elettrica: non si accoppia a particelle neutre.
Quello che i fisici delle particelle chiamano “fotone” è il quanto della
radiazione. Le proprietà corpuscolari del fotone sono più evidenti
ad alta energia, mentre a bassa energia sono più efficaci le descrizioni
ondulatorie.
Ma anche quando telefonate con un telefono cellulare,
ricevete e emettete fotoni !
4 – E la gravità ?
•
L’interazione gravitazionale non è compresa nel modello standard. Non è necessario
considerare la gravità per comprendere la fenomenologia delle particelle elementari
 Si tratta di una tipica “approssimazione fisica”: quello che non è rilevante si
trascura, per semplificare la descrizione dei fenomeni naturali
 La gravità è ridicolmente più debole delle altre forze. Il problema della sua
descrizione assieme alle altre tre forze costituisce uno dei grandi enigmi
ancora da risolvere.
Il Modello Standard
Il modello elettrodebole, unito al meccanismo di rottura della simmetria ipotizzato
da Higgs, Englert, Brout, ed altri negli anni ‘60 costituisce quello che chiamiamo
Modello Standard.
Tre famiglie di quarks, e tre
famiglie di leptoni costituiscono la
materia
Le interazioni forti sono mediate
da 8 gluoni g
Le interazioni elettromagnetiche
dal fotone γ
Le interazioni deboli dai bosoni
WeZ
La gravità non è inclusa nel
modello
Le ricerche ai moderni colliders
• Il modello standard è un potentissimo strumento di
calcolo, di enorme potere predittivo
– I decadimenti, le reazioni di produzione, le leggi di
conservazione, la classificazione delle particelle sono
perfettamente spiegate da esso
– Si osserva tutto –e solo– ciò che il modello predice, e con le
caratteristiche quantitative calcolate.
– Alla fine degli anni ’80 mancano all’appello i corpi più pesanti, e
difficili da produrre: il quark top –che continua ad eludere le
ricerche fino al 1995 – e il bosone di Higgs!
– Per produrre questi stati servono gadgets più potenti!
•
•
•
•
LEP (91 GeV), poi aumentato in potenza (LEP II, fino a 208 GeV)
Tevatron, anch’esso migliorato (Run I  Run II, 1.8 2 TeV)
LHC (7813 TeV)
SSC, cancellato dal governo americano nel 1993 (40 TeV)
La rottura della simmetria
e il meccanismo di Higgs
• Il problema fondamentale risolto dal modello
standard è la massa dei bosoni vettori elettrodeboli:
– Perché il fotone no e loro si ?
– Perché una massa così grande ? A cosa è dovuta ?
– Se hanno massa la teoria non funziona così com’è !
• Serve qualcosa che “rompa la simmetria” fra fotone e W,Z, dando massa
a W e Z e lasciando il primo a massa nulla: il Meccanismo di Higgs
• La teoria ipotizza l’esistenza della particella di Higgs: la sua aggiunta al
modello elettrodebole fa sì che lo stato di minima energia (il “vuoto”) non
sia unico, ma ve ne siano infiniti possibili
• Il nostro universo ha un unico stato di vuoto: lo ha “scelto” proprio come
la palla rotola in un punto qualunque della valle nella figura sopra
• La scelta nasconde la simmetria elettrodebole, e il bosone di Higgs “dà
massa” ai bosoni W e Z: termini di massa compaiono nella formula che
descrive questi stati, senza rovinarne il funzionamento !!
Just for fun…
Il bosone di Higgs
• E’ la conseguenza osservabile del meccanismo di rottura spontanea
della simmetria elettrodebole
– Non esistono altri meccanismi consistenti con il modello standard per
spiegare la massa dei bosoni vettori
• Ipotizzato a metà degli anni sessanta, è stato finalmente scoperto da
CMS e ATLAS nel 2012
• Ancora una volta la Natura sembra obbedirci ! Ma la realtà è che
l’esistenza del campo di Higgs era l’unica spiegazione logica,
economica, elegante di quanto si era osservato.
• Un altra vittoria per il rasoio di Occam!
LHC, ATLAS E CMS:
LE MACCHINE
DI NUOVA FISICA
I gadgets del futuro
Le dimensioni dei rivelatori costruiti al CERN
(ATLAS e CMS) sono sbalorditive
Per progettare questi strumenti ci si è basati sulla
estrapolazione delle tecnologie esistenti,
scommettendo sul futuro !
Ciascun esperimento conta più di 3000 partecipanti
LHC è stato costruito per scoprire il bosone di Higgs, e questo è già “in the bag”. Tuttavia per
molti sarà un successo solo se LHC scoprirà fisica oltre il modello standard...
Altrimenti, sarà estremamente difficile giustificare la costruzione di nuove macchine più
potenti, in grado di farci vedere ancora più in profondità
Il rivelatore CMS
•
CMS (Compact Muon Solenoid) è stato costruito con in
mente un goal fondamentale: la scoperta del bosone di
Higgs
•
Ovviamente però si tratta, come ormai ogni moderno
rivelatore, di uno strumento multipurpose, che può
“vedere” ogni dettaglio delle particelle prodotte
•
Si tratta di una impresa ciclopica – ATLAS e CMS sono
considerati la più colossale e complessa impresa della
tecnologia umana
CMS inside-out
I rivelatori di oggi
• Dalle camere a bolle degli anni 60 abbiamo fatto
notevoli passi avanti...
• I rivelatori ai colliders oggi utilizzano tecnologie
molto avanzate
– Tracciatori: l’evoluzione delle camere a bolle, in
cui elettroni e ioni prodotti dalle particelle cariche
in moto in un gas vengono accelerati da un campo
elettrico e raccolti da fili sensibili  precisione
tipica di 100 micron
– Rivelatori al silicio: invece di un gas, si tratta di
sottili strati di silicio dove gli elettroni liberati dalla
ionizzazione vengono letti da sottilissime striscie
sensibili  precisione di pochi micron
– La curvatura nel campo magnetico determina
l’impulso delle particelle cariche, ma quelle neutre
come vengono viste e misurate ?
– dai Calorimetri: lastre di piombo o ferro
intervallate da scintillatori. Distruggono le particelle
misurandone l’energia dal numero di corpi
secondari prodotti !
La Scoperta del Bosone di Higgs
• Per produrre il bosone di Higgs, ed
osservarne i decadimenti, servono
MOLTE collisioni di ALTA energia:
la probabilità di produrre un
bosone di Higgs è di una su 3
miliardi.
• Si tratta quindi della classica
ricerca dell’ago nel pagliaio...
• Inoltre, solo alcuni dei decadimenti
possibili possono essere distinti
con successo dai processi di
fondo:
– HZZ  μμμμ
– H γγ
– Η  WW  eνμν
Le collisioni vengono raccolte da
elettronica veloce, e gli eventi che
assomigliano di più a ciò che ci si
aspetta dal decadimento di un bosone
di Higgs vengono selezionati
Distribuzioni di Massa Ricostruita
• L’attributo fondamentale più evidente di
una particella è la sua massa.
– Questa può essere misurata usando l’energia
dei prodotti del suo decadimento
• Eventi di segnale hanno tutti la stessa
massa M=MH, e perciò creano un “picco”
nell’istogramma di masse ricostruite
– Stati finali diversi soffrono di contaminazioni di
fondo diverse. Hγγ ha un fondo molto grande,
HZZ un fondo più contenuto
• Un’analisi statistica decide poi quanto
significativo è un picco osservato nei dati.
– Per poter dichiarare di aver osservato una
nuova particella ci si accontenta solo di segnali
che possono verificarsi per caso solo con una
probabilità p<3*10-7 !
Sottraendo
il fondo
previsto si
vede meglio
il segnale !
L’incompletezza del Modello Standard
• Nonostante i suoi enormi successi, il Modello Standard non è del tutto
soddisfacente
– Vi sono ben 25 parametri liberi di cui non è data spiegazione: le masse di
quarks e leptoni, la forza degli accoppiamenti…
– Non è data alcuna spiegazione della interazione gravitazionale
– La teoria soffre di problemi di autoconsistenza
– Non è spiegata l’asimmetria fra materia e antimateria nell’universo
– Nemmeno la materia oscura dell’universo vi trova spiegazione
• Cosa c’è oltre ?
– GUT, teorie che cercano di unificare la QCD con le interazioni elettrodeboli
e la gravità
– Supersimmetria: una ipotizzata simmetria fra materia e interazione
Implica l’esistenza di un “superpartner” per ogni particella elementare
conosciuta
– Superstringhe: le particelle elementari sono stringhe vibranti in un mondo
a 10 dimensioni
• Teoria affascinante ma senza alcun potere predittivo!
– Leptoquarks, technicolor, large extra dimensions, preoni…
• LHC forse risponderà a questa domanda.
Due parole su SUSY
La supersimmetria, inventata nei primi anni ’70, è una
teoria –o meglio un framework- che prevede
l’esistenza di “superpartners” per ciascuna delle
particelle del MS
SUSY ha tre caratteristiche che la rendono molto
interessante:
– L’evoluzione delle tre costanti di accoppiamento
fondamentali del modello standard dipende dalle
particelle esistenti nella teoria. Con le particelle
supersimmetriche, le tre costanti diventano eguali
alla stessa scala energetica (che si suppone essere
quella di grande unificazione)
– La massa del bosone di Higgs riceve grandi
correzioni quantistiche divergenti che vengono
rinormalizzate. MH è “non naturale” e non stabile
rispetto a queste correzioni. L’aggiunta delle particelle
supersimmetriche “stabilizza” il campo di Higgs.
– SUSY “prevede” l’esistenza del neutralino, che
potrebbe essere ciò di cui è fatta la materia
oscura nell’universo!
E se invece di SUSY… ?
• A dispetto delle sue accattivanti proprietà e del
fatto che la supersimmetria fornisce un
candidato ideale per la materia oscura, con
massa “prevista” dalla coincidenza di scala fra
sezioni d’urto delle interazioni deboli e materia
mancante nell’universo, non siamo obbligati a
crederci!
• Il rasoio di Occam in effetti dovrebbe farci
riflettere:
“Entia non sunt multiplicanda praeter
necessitatem”
SUSY è un esempio eclatante di una teoria
che calpesta questo principio, eppure
rimane uno dei migliori candidati
E le Extra Dimensioni ?
•
•
•
•
•
Fra le teorie che estendono il modello standard, ve ne sono alcune
che suggeriscono l’esistenza di dimensioni addizionali dello spaziotempo
Le extra dimensioni sono come “arrotolate su se stesse”, e noi non ne
abbiamo esperienza sensoriale
La motivazione teorica delle teorie LED è di spiegare la debolezza
della gravità rispetto alle altre forze
Noi viviamo un una ipersuperficie di questo spazio multidimensionale;
3 forze sono confinate in uno strato sottile
La gravità si “estende” nelle dimensioni addizionali (bulk),
“spargendo” la sua intensità in un volume maggiore.
Si può pensare che a LHC produrremo eventi in
cui una particella viene prodotta e “sfugge” nel
bulk. Non la vediamo, ma possiamo
dedurre di averla prodotta
Vi sono grandi quantità di studi sulla possibilità
che vi siano extra dimensioni, e che siano
accessibili alle energie di LHC –se hanno
ragione, lo sapremo presto.
CONCLUSIONI
• La fisica fondamentale è affascinante
• Va a braccetto con la tecnologia di punta, e spesso le
necessità degli esperimenti portano a avanzamenti
tecnologici significativi
• Con la fisica delle particelle possiamo sperare di capire
come davvero funziona il mondo, e come è nato
l’universo
• Le possibili scoperte di LHC potrebbero cambiare la
nostra vita in maniera impredicibile oggi
• La scoperta del bosone di Higgs ha confermato un’idea
teorica formidabile di 50 anni fa, ma rimangono molti
interrogativi ai quali speriamo di dare risposta nei
prossimi anni
E se avete altre curiosità...
• Vi invito a contattarmi se avete domande di qualunque tipo anche via
mail, o nel mio blog
– il blog racconta da vicino la ricerca in fisica delle particelle,
cercando (a volte riuscendoci) a mantenersi a un livello di
spiegazione adatto a tutti
– è un mezzo “orizzontale” di comunicazione: nei threads dei posts
si instaurano spesso discussioni interessanti tra autore e lettori
• Sito web: http://www.science20.com/quantum_diaries_survivor
• E-mail: [email protected]
Backup slides
Lo scattering spiega la struttura delle cose!
Dell’esperimento Rutherford disse:
“It was quite the most incredible event that ever happened to me in my
life. It was almost as incredible as if you fired a 15-inch shell at a piece
of tissue paper and it came back and hit you.”
Quello che Geiger e Marsden osservano è l’interazione
elettromagnetica fra la carica positiva delle particelle alfa e la forte
carica positiva dei nuclei d’oro. Nulla di straordinario, ma pur sempre
spettacolare!
Gargamelle
•
•
•
•
Per rivelare le correnti deboli neutre serve trovare un
processo che possa avvenire solo grazie allo scambio
di bosoni Z
Si usano allora i neutrini, che hanno unicamente
interazione debole con la materia (i leptoni carichi
invece hanno anche interazione e.m.)
Un fascio di neutrini prodotto al CERN viene diretto
contro una grande camera a bolle
Si osservano interazioni in cui il protone si rompe e i
suoi resti vengono spinti in avanti, ma non si vede
altro: un neutrino ha scambiato una Z con il protone e
se ne è fuggito non visto
direzione dei
neutrini
Una parentesi di colore:
il Nobel mancato da Lederman
• Alla fine degli anni ’60 Lederman aveva mancato un colpo fenomenale a
causa della insufficiente risoluzione energetica dei rivelatori di muoni del
suo apparato! Insufficiente tecnologia, ma anche fondi insufficienti !
• Lederman aveva studiato le coppie di
muoni prodotte in collisioni di protoni di
più bassa energia (30 GeV), ottenendo
una “gobba”
“Indeed, in the mass region near 3.5
GeV, the observed spectrum may be
reproduced by a composite of a
resonance and a steeper continuum.”...
– non abbastanza per un premio Nobel!
• Nel 1974 si capisce che si trattava della
J/Psi!
• Lederman avrà la sua rivincita nel 1977,
scoprendo il quark b e ottenendo il
Nobel al secondo tentativo!
Cosa sappiamo dell’Higgs ?
•
Sappiamo molte cose, se crediamo al
modello standard:
– Come può essere prodotto
– Con che frequenza
– Come decade e con che probabilità
• Tutto ciò risulta dai calcoli teorici, uniti
al valore preciso di alcuni cruciali
parametri misurati sperimentalmente
– fra essi sono importanti la massa del quark
top e del bosone W, quantità che vengono
misurate con sempre maggior precisione
Già prima di osservare il bosone di Higgs, si aveva una
ottima idea della massa che avrebbe dovuto avere affinché il
modello standard fosse internamente “coerente”.
Dopo la scoperta, siamo ora nella fase di “verifica” delle sue
proprietà – ogni deviazione dalle previsioni teoriche
sarebbe una porta che si apre verso nuove scoperte !
Supersimmetria a LHC
•
Dato il gran numero di particelle nuove
ancora da scoprire se la
supersimmetria esiste, molti si
aspettano fuochi artificiali appena LHC
verrà fatto funzionare a una energia
sufficiente. Ma 8 TeV non lo sono,
forse lo saranno i 13 TeV del 2015 ?
•
La produzione in coppia di squarks o
gluini produrrebbe cascate spettacolari
di jets di adroni, elettroni e muoni –una
vera cuccagna per i ricercatori !
Un segnale di SUSY:
Energia Trasversa Mancante
• L’energia trasversa mancante è un segnale importantissimo per la fisica
elettrodebole e la ricerca di nuova fisica
• I prodotti di una collisione devono avere un impulso totale nullo nel piano
trasverso ai fasci
• Calcolandone la somma vettoriale, si trova
MEt = [(SEx)2 + (SEy)2]0.5
e si misura anche l’angolo nel piano trasverso:
F = - atan(SEy, / SEx)
Un valore di MEt significativamente diverso da
zero indica la produzione di uno o più particelle
non interagenti che hanno “sottratto” l’impulso
trasverso in eccesso
La sua importanza è cruciale per le ricerche di
materia oscura: particelle neutre non interagenti,
che sfuggono alla rivelazione.
Come si misurano i jets ?
•
I calorimetri sono sensibili sia a particelle cariche che neutre,
tranne quelle che interagiscono solo debolmente con la materia
•
Nei calorimetri e.m. si misura il numero totale di corpi secondari
prodotti in una cascata elettromagnetica  e l’energia è
proporzionale a questo numero !
Nei calorimetri adronici i processi sono più complessi ma il
concetto è lo stesso
•
•
•
La corretta misura dell’energia dei jet permette di ricostruire il
decadimento di particelle massive
La misura dell’energia è anche fondamentale per ricostruire bene
l’energia mancante, che può segnalare un neutrino o altra
particella non interagente
Verso una nuova rivoluzione scientifica
•
Ogni volta che la tecnologia ci ha permesso
di “spingerci oltre”, aumentando
significativamente la nostra sensibilità in
energia o in capacità di rivelazione dei
processi subnucleari, abbiamo scoperto cose
nuove
–
–
–
–
•
camere a nebbia: l’antimateria, il muone
ciclotrone: i mesoni, la stranezza
sincrotrone: i quarks, i gluoni
colliders protone-antiprotone: i bosoni W,Z, il
quark top
Molti sono assolutamente certi che LHC,
facendo un balzo in avanti di un fattore 7 in
energia e di un fattore 10 in luminosità,
porterà nuove scoperte
– molti credono nella supersimmetria, e LHC è
perfettamente posizionato per scoprirla
– anzi, molti sono convinti che verranno
scoperte cose che nemmeno ci immaginiamo
•
Proviamo a vedere cosa si potrebbe scoprire
a LHC nei prossimi anni
Dieci anni di
ritardo...
thank you US
congress!
SSC
Studi sull’Higgs
Il segnale
Hγγ di CMS
Ora che lo abbiamo
scoperto, misuriamo in
dettaglio tutte le
caratteristiche che
possiamo, confrontandole
con le attese  cerchiamo
discrepanze ! Finora però
non ne abbiamo trovata
nessuna.
“If it walks like a duck and
quacks like a duck...”