Un avvincente romanzo lungo 100 anni con un finale ancora tutto da scrivere!!!!

LA FISICA DELLE PARTICELLE:

Un avvincente romanzo lungo 100 anni con un finale ancora tutto da

scrivere!!!!

Venite con me …..

Un affascinante viaggio nel cuore della materia

Questo è il dominio della Fisica delle particelle

Ogni singola cosa nell’Universo è composta dagli stessi costituenti fondamentali

particelle di materia

Alcune particelle sono scomparse

miliardesimi di secondi dopo il Big Bang Altre particelle costituiscono la materia che ci circonda

La Fisica delle Particelle studia questi minuscoli costituenti fondamentali e come essi interagiscono per formare l’Universo come lo conosciamo

Quanto sono piccoli questi costituenti?

Se un elettrone pesasse quanto una monetina da 5 centesimi di euro, un

protone peserebbe quasi quanto 4 litri di latte!

Neutroni e protoni hanno circa lo stesso peso

Possiamo allineare 100 000 atomi sulla larghezza di un capello

E la proporzione fra il nucleo e gli elettroni è la stessa di una biglia posta al centro di un campo di calcio

E pensare che atomo viene dal greco ατοµος, che significa “indivisibile”!

Ma la Fisica delle Particelle non si ferma qui:

Possiamo guardare dentro gli atomi, fino ai quarks

Già, ma come ??

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

Onda su onda….

Per vedere come è fatto un oggetto, è necessario che:

1) La nostra “lampada” emetta “luce” con una lunghezza d’onda λ simile o più piccola della grandezza dell’oggetto stesso.

2) Il nostro “occhio” sia in grado di “vedere” la luce riflessa.

Visione con una lampada e gli occhi.

Visione con un

acceleratore ed un rivelatore di

particelle.

Facciamo due conti:

- Grandezze nucleo atomico: 10^-15 m - Grandezza atomo: 10^-10 m

- Lungh. d’onda luce lampada: 10^-7 m - Sorgente di raggi X : 10^-8 – 10^-12 m

Ci si può “accorgere” della presenza degli atomi, ma serve una sorgente con λ oltre 1000 volte più piccola per indagare un nucleo!!

Visione con un

acceleratore ed un rivelatore di

particelle.

Particella o onda?

Aumentando il momento (e quindi l’energia) della particella migliora la risoluzione con la quale si “vede” l’oggetto!!!!

1924: L. De Broglie propone l’idea che ogni particella si possa comportare anche come un’onda, con una λ inversamente

proporzionale al suo momento

Domanda: Si può aumentare a piacere l’energia del proiettile (a patto di realizzare un tale acceleratore!!) per studiare ad

esempio un protone? Che succederebbe?

Per cercare di capire quali siano davvero i costituenti della materia, i fisici delle particelle hanno quindi bisogno di:

1) Accelerare i loro “proiettili” ad alta energia (Acceleratori)

2) Avere un oggetto in grado di “vedere” cosa è stato prodotto dopo la collisione col bersaglio da studiare (Rivelatori).

Serve una grande energia!

TARGHETTA FISSA Energia a disposizione per produrre nuove particelle:

COLLISIONI FASCIO-FASCIO Energia a disposizione per produrre nuove particelle:

fascio

≈ E

fascio

≈ E

RISPOSTA

RISPOSTA … … . .

L’equazione più famosa della storia ci dice che massa ed energia sono fortemente legate, tanto che l’una può trasformarsi nell’altra, quindi….

La creazione di nuove particelle

Il modo più efficiente per

studiare non solo la materia di cui siamo fatti (elettroni, protoni e

neutroni), ma anche se esistono altre particelle in Natura che non sono stabili, è un urto frontale tra due fasci di particelle

all’energia adeguata.

• Facendo scontrare tra loro due fasci di particelle possiamo

produrne di nuove

• L’unico vincolo è che non

potremo produrre particelle con una massa m > E/c²

Ingrediente n.1: gli acceleratori

Cosa fa una particella carica in questi 2 casi?

e^- E = 12 eV

Campo elettrico: accelera, cioè aumenta la sua energia.

1)

Dipoli magnetici

Campo magnetico: curva, cioè

2)

2 possibili soluzioni…..

Tante “pile” una dopo l’altra: la particella viene accelerata dal solo campo elettrico quando passa nella regione tra i tubi.

1

2

Due sole “pile” e campi magnetici:

la particella viene accelerata ad ogni giro quando passa vicino alle

“pile”. I magneti rossi curvano le particelle, quelli blu focalizzano, cioè fanno in modo che le particelle stiano su una circonferenza

perfetta.

LHC, che verrà descritto nel prossimo talk, fa parte della categoria n.2

Ingrediente n.2: i rivelatori

- Ogni tipologia di particella è caratterizzata da una “firma”: quando

attraversa un determinato tipo di materiale, interagisce con esso, lasciando una “impronta” del suo passaggio.

- Un rivelatore è quindi un insieme di diversi materiali (e di strumentazione elettronica) in grado di decifrare queste “impronte” e di consentire poi grazie al calcolatore di risalire al tipo di particelle prodotte e alle loro

caratteristiche (energia, traiettoria, momento ecc..)

- Ogni tipologia di particella è caratterizzata da una “firma”: quando

attraversa un determinato tipo di materiale, interagisce con esso, lasciando una “impronta” del suo passaggio.

- Un rivelatore è quindi un insieme di diversi materiali (e di strumentazione elettronica) in grado di decifrare queste “impronte” e di consentire poi grazie al calcolatore di risalire al tipo di particelle prodotte e alle loro

caratteristiche (energia, traiettoria, momento ecc..)

Un oggettino che sta nel

salotto di casa insomma…

E alla fine, dopo enormi E alla fine, dopo enormi

fatiche, grandi scoperte fatiche, grandi scoperte (e anche qualche

(e anche qualche smentita smentita … … ) ) ecco che cosa abbiamo capito, ecco che cosa abbiamo capito, in 100 anni di ricerche, su come in 100 anni di ricerche, su come

è è fatto il fatto il mondo mondo … …

Di cosa e’ fatto il mondo che ci circonda

m x10 ¹⁰

1 ⁻

m x10 ¹⁵

1 ⁻

m x10 ¹⁵ 7

.

0 ⁻

Thomson (1897): Discovers electron

Il Modello Standard : i mattoni fondamentali della Natura Nel modello standard delle

interazioni fondamentali tutte le particelle sino ad oggi

conosciute sono considerate come composte di pochi

costituenti fondamentali.

Esistono:

- 6 tipi di quarks organizzati in 3 doppietti (u, d), (c, s), (t, b);

- 6 tipi di leptoni organizzati in 3 doppietti (

e

,ν

µ

,ν

τ

,ν

Ci sono quindi 3 copie della stessa struttura. Ogni copia è del tutto identica alle altre due tranne che per la massa: la prima generazione è la più leggera, la seconda intermedia, la terza la più pesante.

Il Modello Standard spiega inoltre le interazioni forti, deboli ed elettromagnetiche tra quarks e leptoni come mediate dallo scambio di altre particelle dette bosoni (gluoni, W^± and Z, e fotone).

La teoria dell’interazione gravitazionale, invece, non fa ancora parte del Modello Standard in quanto il suo mediatore, che si chiama gravitone , non e’ ancora stato scoperto.

Il Modello Standard: le interazioni fondamentali

LEPTONI

QUARKS

e, µ, τ

3 neutrini sono invece neutri ☺ e sono sensibili solo alla forza debole;

I “gemelli pesanti” dell’elettrone non sono stabili: decadono nel leptone carico

successivo più leggero (τ µ, µ e).

Dinamica delle tre famiglie…

u, c, t

d, s, b

carica -1/3;

Sono sensibili alla forza forte, elettromagnetica e debole;

In Natura non esistono come particelle libere, ma sono confinati dentro gli adroni (barioni o mesoni) di cui sono i costituenti ultimi.

- In questo quadro di 12 particelle e 3 forze fondamentali (la gravità è ininfluente a questo livello e per questo viene trascurata),

vediamo quali sono le “impronte” tipiche delle particelle presenti alla fine di ogni collisione nei nostri rivelatori.

- In questo quadro di 12 particelle e 3 forze fondamentali (la gravità è ininfluente a questo livello e per questo viene trascurata),

vediamo quali sono le “impronte” tipiche delle particelle presenti alla fine di ogni collisione nei nostri rivelatori.

Interazione con la materia

e γ ν

jet µ

acciaio calorimetro

adronico

solenoide camere a muoni

calorimetro elettromagnetico

dispositivo di tracciamento

Facciamo il punto….

Il quadro, sebbene complesso, è abbastanza chiaro…

Basta così? O manca qualcosa? Tutto chiaro?

Uhmm…. ” Houston, abbiamo un problema…”

Purtroppo, ben più di un problema!!!

• Vi sono altre particelle o interazioni che ancora non conosciamo ad energie piu’ alte?

• Qual’e la natura delle particelle che costituiscono la materia oscura dell’universo? E l’energia oscura?

• Sono le interazioni forti, deboli ed elettromagnetiche espressione di un’unica forza che include la gravita’?

• Perchè proprio 12 particelle fondamentali e 3 generazioni?

Ma Ma soprattuttosoprattutto…….. .. percheperche’’ le le particelleparticelle hannohanno unauna massa?massa?

Tutta la costruzione del Modello Standard infatti, e’ stata testata negli ultimi 30 anni e ha avuto enorme successo.

Peccato che cosi’ com’e’ ora, esso preveda particelle senza massa…

E di cosa saremmo fatti noi tutti?

bosone di Higgs bosone di Higgs

L’enigma della massa

Quando saliamo la mattina sulla bilancia, speriamo che il nostro peso sia diminuito…

Il nostro peso è dato dalla massa + la forza di gravità

Il nostro zoo delle particelle elementari presenta una varietà di massa sconcertante

Sia i fotoni che i bosoni W, Z sono particelle responsabili di una forza, ma…. i fotoni hanno massa nulla, mentre W, Z sono circa 100 volte più pesanti di un protone…come mai?

Perchè elettrone e quark top (entrambi mattoni fondamentali) hanno una diffferenza di massa così enorme?

La risposta di Peter Higgs..

Un fisico britannico che più di 40 anni fa propose un meccanismo per spiegare il mistero dell’origine della massa delle particelle

Higgs ha ipotizzato che il vuoto contenga un onnipresente campo di forza che può frenare alcune particelle elementari come la gelatina balistica frena un proiettile

Questo campo di forza è generato da una

particella che non abbiamo ancora osservato: il

bosone di Higgs

Rallentare una particella equivale a farle acquisire una massa

Più o meno grande

Il meccanismo di Higgs

Il Professor Peter Higgs ha proposto che tutto lo spazio sia permeato da questo campo.

La teoria quantistica ci

dice che tutti i campi sono associati a particelle..

in questo caso…un

bosone di Higgs.

Ed effettivamente, in ATLAS, un Higgs è già stato visto…

il professore però, non il bosone!!

In conclusione…..

La risposta al mistero della massa e agli altri problemi del Modello Standard prima citati, costituiscono LA SFIDA per la fisica delle particelle dei prossimi anni.

Una nuova super-macchina è stata costruita proprio a questo scopo: il Large Hadron Collider (LHC) al CERN di Ginevra.

Con essa ci aspettiamo di fare luce su qualcuno dei punti oscuri del Modello Standard e chissà mai, di trovare

qualcosa che non ci si aspetta.

Siete curiosi ?