Laboratori Nazionali di Frascati
Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
Frascati 20-11-2008
La Rivoluzione della
Fisica Moderna
ovvero di che cosa siamo fatti e come
interagiamo con le forze
dell’Universo
Fabrizio Murtas
([email protected])
Il Modello Antico
Costituenti materiali
Terra
Acqua
Aria
Forze
Fuoco
Sin dall’antichità l’umanità ha cercato di capire quali fossero
i costituenti fondamentali dell’universo
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Atomi
Dopo circa 2000 anni (1900 dC), questa era la visione della materia
L’organizzazione di tutti i tipi di atomi in una Tabella Periodica
è di fatto il suggerimento che esiste una struttura più semplice
che ne governa la regolarità.
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Struttura dell’atomo
• Nel 1897 Thompson scopre l’elettrone
• Se l’elettrone è carico negativamente questo implica
– L’atomo non è elementare,
– Ci deve anche essere una carica positiva.
elettroni
carica positiva
distribuita
Rutherford: il primo fisico delle alte energie
La struttura della materia
puo’ essere indagata con
fasci di particelle
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Dagli atomi …..
Fine ‘800
L’atomo
Atomo
Inizio ‘900
Il modello atomico planetario
Tutta la materia e’ composta di :
• Elettroni
• Protoni
• Neutroni
Tutto il resto è vuoto !!!
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Solo 3 particelle elementari ?
Grazie a nuovi acceleratori ed a rivelatori di particelle
come la Camera a bolle, il numero di particelle elementari
alla fine degli anni ’50 era notevolmente aumentato
p
e
nm
S-
S+
n
K0
Dov’è l’ordine ? p
K-

K0
L
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Nuova regolarità
• Nel 1961 Gell-Mann & Ne’eman fecero per le particelle
“fondamentali” cio che Mendeleev aveva fatto 100 anni
prima per gli atomi “fondamentali”.
n
p
S=0
S0
L
-
S
-
S+
S = -1
Q = +1

0
D-
S*
S = -2
S = +1
S=0
S = -1
K0
K+
p0
h
pK-
S = -3
p+
K0
D++
S*+
S*0
*-
Q=0
Q = -1
D+
D0
Q = +2
Q = +1
*0

W-
Q=0
Q = -1
Ci deve essere una
struttura sottostante
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Dagli atomi ai quark
Fine ‘800
L’atomo
Protone
Atomo
Inizio ‘900
Il modello atomico planetario
Anni 30
La struttura del nucleo atomico
(protone e neutrone)
Anni 60
La struttura subnucleare a quark
… il protone ed il neutrone non sono elementari !!!
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I Quarks
I quarks hanno carica frazionaria !
u
u
Quark up
Q = +2/3
u
d
Quark down Q = -1/3
d
d
Neutrone Q= +2/3 -1/3 -1/3 = 0
Protone Q= +2/3 +2/3 -1/3 = 1
Particella “strana” L
u
s
Q = +2/3 -1/3 -1/3 = 0
d
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La scoperta dell’antimateria
Nel 1932 il fisico americano Anderson, studiando i raggi cosmici,
scoprì una particella che si comportava esattamente come un
elettrone, ma con carica elettrica positiva.
Dopo la scoperta si riuscì anche a
produrli in laboratorio bombardando
piastre metalliche con fotoni di
energia hn > 1 MeV .
spin + 1/2 Questo perchè ,entrando in
collisione con i nuclei, i fotoni
sparivano e davano vita a coppie e+
e+
e-. Essendo la massa dell’elettrone
0,5 MeV/c2 il fenomeno si verifica
solo sopra la soglia.
Si cominciò quindi a pensare che anche il protone e il neutrone
potessero avere un’antiparticella. Grazie alla costruzione dei
primi moderni acceleratori di particelle nel 1955 fu scoperto
l’antiprotone da Emilio Segrè e Owen Chamberlain, e nel 1956
l’antineutrone da Bruce Cork.
Carl David
Anderson
(1905 – 1991)
10
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Collisione materia antimateria
muone
E = m c2
antielettrone
elettrone
antimuone
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AdA: Anello di Accumulazione
F r a s c a t i 1961
1m
Bruno Touschek
Il prototipo dei collisori materia-antimateria
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Materia e Antimateria
t
a
+
g
a
m-
e-
e+
e-
m+
E = 2mmet c2
e+
tCon i collisori si raggiungono energie molto elevate
con possibilità di studiare asimmetrie tra materia e antimateria.
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I discendenti di AdA nel mondo
I collisori elettroni - antielettroni
34
KEK B
PEPII
Luminosità (log)
33
Quark b
CESR
Quark s
32
DORIS
DAFNE
31
VEPP 2
PEP
LEP II
PETRA
BEPC
LEP I
VEPP 4
30
SPEAR
ADONE II
29
ACO
DAFNE
ADONE
LEP
al Cern
DCI
28
ADONE
27
0,1
1
10
100
1000
Energia (GeV)
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… ma da cosa è composta la materia
Leptoni Quarks
Costituenti materiali
u c t
d s b
up
down
charm
top
strange bottom
ne nm nt
e-neutrino m-neutrino t-neutrino
e m t
elettrone
muone
tau
…. ovvero la materia
è composta da 12 fermioni
suddivisi in tre famiglie
La Materia stabile
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Le famiglie “si parlano”
Interazione debole dei fermioni
u
up
d
down
c
charm
s
strange
t
top
b
bottom
Se così fosse avremmo un Universo
composto da particelle appartenenti a
tutte e tre le famiglie...
Universo estremamente complicato !
Questa “rotazione” e’ descritta
dalla matrice di
Cabibbo-Kobayashi-Maskawa
Le particelle dotate di Top e Charm hanno una vita media più piccola
rispetto alle particelle dotate di Bottom e Strange.
Misurando i decadimenti queste particelle di fatto misuriamo gli
angoli di questa rotazione (il primo fù l’angolo di Cabibbo)
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Numero di decadimenti Z
… ma quante famiglie ci sono ?
Solo tre famiglie
Larghezza (DE) dello Z
Misura di alta
precisione fatta
al CERN con
il collisore LEP
Massa Z (=E/c2)
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I Fermioni : le masse
Q
U 0.003
A
1
R
K
S
0.006
L
E
P 0.0005
T
O
N 0
I
.
u
up
1.5
c
charm
175
t
4
b
top
Gev  protone
d
down
e
elettrone
ne
neutrino e
0.12
0.105
.
0
s
strange
m
1.8
muone
nm
neutrino m
.
0
bottom
t
tau
nt
neutrino t
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I Fermioni : la carica elettromagnetica
Q + 2/3
U
A
1
R
K
S - 1/3
L
E
P -1
T
O
N 0
I
u
up
+ 2/3
c
charm
t
+ 2/3
top
= carica dell’elettrone (o protone)
d
- 1/3
e
-1
ne
0
down
elettrone
neutrino e
s
- 1/3
m
-1
strange
muone
n
m
neutrino m
b
bottom
t
tau
0
nt
neutrino t
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Anti-materia : tutte le cariche opposte !
Q - 2/3
U
A
R
K
S + 1/3
u
- 2/3
d
+ 1/3
e
+1
up
+
neutrino e
s
+ 1/3
m
+1
n
0
+
m
neutrino m
b
bottom
t+
tau
muone
0
t
top
strange
positrone
ne
- 2/3
charm
down
L
E +1
P
T
O
0
N
I
c
nt
neutrino t
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… e le forze ?
Le forze fondamentali
Forza
Gravitazionale
Intensità relativa
1
Vi tiene seduti sulle sedie
Debole
1029
Decadimenti radioattivi
Elettromagnetica
1040
Tiene insieme elettroni e protoni
Forte
1043
Tiene insieme i nuclei
Ciascuna forza, ha una particella associata ad essa, un bosone di gauge,
che permette alla forza di agire a distanza.
Ad esempio per la forza elettromagnetica la teoria è l’elettrodinamica
quantistica QED e il bosone di gauge è il fotone.
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I Bosoni: le masse
g
fotone
0
g
gluone
0
W
Z
bosone
bosone
80.4 GeV
91.2 GeV
1 GeV  protone
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Materia e campi di Forza
Vediamo ora come interagiscono le particelle di materia (o antimateria)
eetempo
eg
e-
Questi diagrammi non sono soltanto
rappresentazioni grafiche ma
autentiche formule matematiche che ci
permettono di calcolare l’intensità
dell’interazione. Grafici di Feynman
Gli elettroni si scambiano un bosone: il fotone (il mediatore di forza ).
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Scoperta del neutrino
Nel 1896 Bequerel scopre la radioattività naturale: alcuni materiali
come l’Uranio o il Radio producono raggi a, b o g.
Nel 1930 Pauli fa l’ipotesi che insieme all’emissione di b vengano
emesse particelle neutre di massa molto piccola : i neutrini.
n
ep
n
n
Con il modello a quark ...
n
mn 0
energia di e-
eu
du
n
d
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Il bosone W
Ma come avviene l’interazione debole ?
u
d
u
en
d
tempo
Il bosone W interagendo con il
fermione ne cambia il “sapore”
W
e-
n
La costante di accoppiamento del
fermione al W è molto vicina ad
a della QED.
Quello che rende debole
l’interazione è il fatto che il
bosone W ha una massa molto
elevata (probabilità più bassa di
emissione)
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Interazioni del neutrino
n e, m, t
e-, m-, tW
d
u
d
neutrone
u
u
d
protone
La sezione d’urto che si
ricava da questo diagramma
di Feynmann e’ di 10-38 cm2
Diametro dell’atomo 10-8 cm
Diametro del nucleo 10-13 cm
Quindi i neutrini interagiscono
pochissimo con la materia !
Esperimento CHORUS al CERN
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Lunga vita al sole
Grazie alla forza debole la combustione dell’idrogeno in elio e’
sufficientemente lenta da dare al sole una vita di 10 Miliardi di anni
protone
neutrone
Si potrebbe dire che lo sviluppo delle forme di vita nell’universo e’
possibile grazie all’esistenza della forza debole.
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Piccoli Big Bang al Lep
Esperimento ALEPH 1988-2001
+ t-
eee+++eee---
mte+ m
e
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Cromo Dinamica Quantisitca
• Dato il grande successo della QED, negli anni ‘70 si
sviluppò una teoria quantistica delle interazioni forti che
venne chiamata Cromo Dinamica Quantisitca (QCD).
Questa teoria include un nuovo bosone di gauge chiamato
gluone.
• La “carica” delle interazioni forti è chiamata colore, e
ciascun quark ha tre possibili valori di colore: rosso verde
e blu. Questo tipo di interazione è mediata da un gluone.
Quark “anti-verde”
Quark “verde”
Gluone “rosso-antiverde”
Quark “verde”
Quark “rosso”
La particella così composta (barione)
risulta “bianca”
La particella così composta (mesone)
risulta “bianca”
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Perchè non si vedono i Quark ?
• La forza forte fra i quarks decresce con il
decrescere della distanza (libertà asintotica) e
aumenta alle grandi distanze
• Questo e’ ciò che succede quando si cerca di
estrarre un quark da un barione :
mesone
protone
L’Energia nel campo
aumenta fino a ...
raggingere E=Mc2
(M=m+m) per produrre
una coppia di
quark e anti-quark
Un quark rimarrà nel
barione, mentre l’antiquark
si unirà al quark strappato
per formare un mesone
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Evidenza della QCD
La QCD mi dice che non posso vedere dei quark liberi.
Quindi, cosa succede se provo a far scontrare due protoni ad energie
sempre più elevate?
p
as2
p
Ma i gluoni possono interagire
tra di loro in quanto anche loro
sono colorati !!
p
as3
p
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Creazione di quarks al LEP
ee+ +ee- -
qqqqg
1 cm
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Contributo dell’INFN
Materia
Forze
g
gluone
g
u
up
charm
top
d
strange
bottom
b
fotone
m-neutrino
t-neutrino
bosone
down
ne
e-neutrino
e
elettrone
c
s
nm
m
muone
t
nt
t
tau
Adone a Frascati 1974
Gamma Gamma2
W
Z
bosone
F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
Contributo dell’INFN
Materia
u
up
d
down
ne
e-neutrino
e
elettrone
c
s
Forze
t
charm
top
strange
bottom
m-neutrino
t-neutrino
nm
m
muone
b
nt
t
tau
g
gluone
g
fotone
Esperimento UA1 al collisore
protone-antiprotone del
CERN di Ginevra
C. Rubbia
Evento con Z°
W
Z
bosone
bosone
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Il Modello Standard
Leptoni Quarks
Costituenti materiali Forze
u c t g
d s b g
up
down
charm
top
strange bottom
gluone
fotone
ne nm nt W
e-neutrino m-neutrino t-neutrino
e m t
elettrone
muone
tau
bosone
Z
bosone
Bosone
di Higgs
?
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…e l’antimateria ?
perche è scomparsa
dopo il Big Bang ?
Asimmetria tra materia e antimateria
studiata a Kloe e Dafne a Frascati
DAFNE
1999-2006
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… perchè le
particelle hanno
massa ?
Higgs e la massa dei fermioni
Ma come fa il campo di Higgs a fornire la massa alle particelle ?
Supponiamo di avere un campo di Higgs e
facciamoci correre sopra tre particelle ....
..
Tanto più grande è
l’accoppiamento tra il campo
di Higgs e la particella,
tanto più grande è la massa
ad essa associata !
Raggio di azione
Se volete altri esempi http://hepwww.ph.qmw.ac.uk/epp/higgs.html
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Esiste Atlas
la particella
Esperimento
Aleph
di Higgs ?
Questo eccesso di eventi ad alta
energia ha fatto pensare ad un
primo segnale dell’esistenza
della particella di Higgs 7 anni
fa.
Significanza statistica di “solo”
3.9 sigma, compatibile con un
SM Higgs di circa 114 GeV/c2.
Voi siete qui
Questo segnale lo ha visto solo
uno dei quattro esperimenti !
Quindi bisogna aspettare qualche anno …
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LHC e il Big Bang
…. alla ricerca del bosone di HIGGS per spigare la massa
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Storia dell’universo
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Il Big Bang
Era
Era
Era
Era
Era
della
Ilelettrodebole
della
Big
dei
deiluce
protoni
Bang
Nuclei
grande
e degli
unificazione
atomi
1 miliardesimo
1 millesimo
0100
secondi
secdidisec
sec
300.000
10-35 sec
anni
Le
II Quark
Formazione
Protoni
forze si
elettrodeboli
ecombinano
Neutroni
delle
L’inflazione
L’universo
per
Galassie
formare
diventa
spaziosisicombinano
distinguonoper
Protoni
temporale
trasparente
e Neutroni
cessa
formare
1
Si
e sirompe
riempie
la Grande
di luce
Miliardo
i nuclei di
dielio
anni
Unificazione e si
distinguono forza
forte ed elettrodebole
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LHC al CERN di Ginevra
CMS
Apparato Atlas a LHC
ALICE
LHC-B
Evento simulato Evento simulato
di collisione
piombo-piombo
di collisione protone-protone
ATLAS
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Esperimento ATLAS al CERN 2007
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Esperimento CMS al CERN 2007
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Esperimento CMS al CERN 2007
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…i collisori
costano troppo …
osserviamo i raggi
cosmici !
Laboratori sotterranei
Evento raro
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Laboratori sotterranei del Gran Sasso
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Neutrini da supernove
Osservatorio LVD al Gran Sasso
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Oscillazione di Neutrini
Gallex al
GranSasso
I neutrini si trasformano durante il lungo viaggio
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Oscillazione di neutrini
u
c
s
up
d
down
e-neutrino
e
elettrone
g
gluone
g
charm
top
strange
bottom
b
fotone
m-neutrino
t-neutrino
bosone
nm
ne
t
m
muone
nt
t
tau
W
Z
bosone
Matrice di mescolamento
dei neutrini
Milioni di neutrini al
secondo attraverso un
granello di sabbia
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Neutrini dal CERN al Gran Sasso
neutrini prodotti con acceleratori
Icarus : camera a immagine
in Argon liquido
Opera : camera a emulsioni
fotografiche
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Progetto Antares e R&D Nemo
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Ricerca di antimateria : AMS
Ieri
Domani
Italia, Cina, Germania, Finlandia, Francia, Svizzera, Taiwan, USA
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La gravità
Leptoni Quarks
Costituenti materiali Forze
u c t g
d s b g
up
down
charm
top
strange bottom
gluone
fotone
ne nm nt W
e-neutrino m-neutrino t-neutrino
e m t
elettrone
muone
tau
bosone
Z
bosone
Bosone
di Higgs
?
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Antenna Gravitazionale a Frascati
Per rivelare onde
gravitazionali emesse da
supernove all’interno
della nostra galassia
è necessario
raffreddare a pochi
millikelvin (~ -273 gradi)
grandi cilindri metallici
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Antenne gravitazionali
Barre risonanti INFN
Auriga a Legnaro
Explorer al CERN
Nautilus a Frascati
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Il Modello Standard
Leptoni Quarks
Costituenti materiali Forze
u c t g
d s b g
up
down
charm
top
strange bottom
Particelle
gluone
supersimmetriche
fotone
ne nm nt W
e-neutrino m-neutrino t-neutrino
e m t
elettrone
muone
tau
?
bosone
Z
bosone
Bosone
di Higgs
?
Gravitone
?
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… ma ci serve a
qualche cosa tutto
questo?
Ricadute tecnologiche : Il WWW
1990 : nasce il WWW al CERN
La biblioteca mondiale
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La GRID
Potenza di calcolo distribuita
Elaborazione
Metereologiadi
immagini da
satellite
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Ricadute sulla fisica medica : la PET
Collaborazioni
INFN -Policlinico
di Tor Vergata
Immagini del cervello
F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN
Bibliografia
Modello Standard
QED
Richard Feynmann Ed. ADELPHI
La Fisica delle Particelle
Luciano Maiani Le Scienze Quaderni n° 103 Settembre 1998
Quarks & Leptons: an intrductory Course in Modern Particle Physics
F. Halzen A.D. Martin Ed Wiley
Cultura Scientifica
Trent'anni che sconvolsero la fisica. la storia della teoria dei quanti
Gamow George, Zanichelli 1966
Il senso delle cose, Sta scherzando Mr. Feynman!
Richard Feynmann, Ed. ADELPHI
Le Scienze Edizione italiana dello Scientific American
http:www.lescienze.it
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