L’avventura delle particelleDalla scoperta dell’elettrone

alla ricerca del bosone di Higgs

Andrea VenturaAndrea VenturaUniversità del Salento & INFN LecceUniversità del Salento & INFN Lecce

Primi fasci di protoni nell’LHCe primi eventi all’esperimento ATLAS

Lecce-Ginevra, 10 settembre 2008Lecce-Ginevra, 10 settembre 2008

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Sommario

• La prima particella scoperta: l’elettrone• Dai modelli atomici alla fisica quantistica• Particelle nei raggi cosmici• I primi grandi acceleratori• Il proliferare delle particelle e l’ipotesi dei quark• Il Modello Standard e le sue conferme

sperimentali• Le sfide di oggi: verso il bosone di Higgs?• LHC e l’esperimento ATLAS

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Verso la scoperta dell’elettrone• 1795 A. Volta costruì un dispositivo per produrre

energia elettrica da comuni reazioni chimiche.

• 1857 J. H. Geissler inventò un tubo di vetro a pareti fluorescenti o fosforescenti con gas a bassissime pressioni.

• 1860 W. Crookes usò il tubo di Geissler inserendovi due lamine metalliche, collegandole ad un generatore a 30000 V e osservò piccoli corpuscoli di materia (raggi catodici) con carica negativa, poco penetranti, capaci di muovere un mulinello posto sul loro cammino.

• 1895 J. J. Thomson lavorò sui raggi catodici e applicò un campo magnetico ed elettrico per calcolare il rapporto tra la carica elettrica e la massa. Erano stati così scoperti gli elettronielettroni

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Modello planetario dell’atomo• 1911 E. Rutherford bombardò una sottile lamina

di oro con particelle positive , costituite da atomi di elio privati dei due elettroni. Tali raggi attraversavano la lamina senza quasi mai esserne disturbati, salvo un ~1 % che veniva deviato, anche in modo notevole o addirittura, completamente respinto • Rutherford propose un

modello di atomoatomo con quasi tutta la massa concentrata in un nucleonucleo molto piccolo carico positivamente e gli elettronielettroni che vi ruotano attorno

Risultato atteso Risultato ottenuto

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Scoperta del neutrone

• 1930 W. Bothe e H. Becker bombardarono berillio con particelle molto energetiche, producendo radiazione neutra e assai penetrante. Be + He C + n

• Due anni dopo F. Joliot e I. Curie scoprirono che particelle neutre possono espellere protoni dalla paraffina.

• 1932 J. Chadwick identificò tali particelle come simili ai protoni, ma senza carica: i neutronineutroni

• I nuclei atomici sono formati da “nucleoni” (protoni e neutroni) in numero simile.

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L’ipotesi del neutrino e il muone

• Il neutrone è instabile e si disintegra secondo il cosiddetto decadimento . Ma energia e momento non si conservano: servirebbe una particella senza massa né carica che giustifichi tale bilancio energetico.

• 1934 E. Fermi e W. Pauli ipotizzarono l’esistenza del neutrino neutrino (ma per molti anni non vi fu evidenza sperimentale…).

n p + e– +

• 1936 Dallo studio delle interazioni dei raggi cosmici Anderson scoprì una particella non presente in atomi ordinari: il muonemuone , con massa 207 volte maggiore dell’elettrone. I. I. Rabi commentò “Who ordered that?”

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Scoperta dell’antimateria

• 1931 A conferma della teoria di P. A. M. Dirac che prevedeva stati a energie negative (1928), dallo studio dei raggi cosmici, C. D. Anderson scoprì il positronepositrone, l’antiparticella dell’elettrone

• Quando una particella e un’ antiparticella interagiscono, si annichilano producendo energia

E = 2mE = 2meecc22

e+ e –

e+e–

• Avviene anche il contrario: un fotone produce una coppia e+e–

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Scoperta del pione• Il muone fu ritenuto per oltre 10 anni il mediatore

delle interazioni nucleari previsto da H. Yukawa già nel 1935. Tuttavia la sua vita media (~2·10-6 s) è >> del atteso per le forze nucleari (~10-23 s).

• 1947 In emulsioni nucleari esposte ad alta quota C. Powell osservò eventi con pionipioni + + + Mentre il – è assai penetrante, il – si fa catturare dal nucleo, come previsto da Yukawa.

• 1956 Scoperto anche il pione neutro 0, J. Steinberger et al., che tipicamente decade in 0

m(+) = 139.57 MeV/c2

m(0) = 134.98 MeV/c2

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Le particelle “strane”• Negli anni 1950 dalle interazioni dei raggi cosmici

in camere a nebbia immerse in campi magnetici si iniziarono a osservare particelle “stranestrane”: hanno sezioni d’urto tipiche di interazioni forti ma decadimenti in pioni con vite medie tipiche di interazioni deboli. Osservazioni di “eventi V”.

• Tali particelle furono chiamate mesoni K, e si dovette introdurre un nuovo numero quantico denominato “stranezza” S.

BevatronBevatron (LBL) (LBL)protoni su bersaglio fissoprotoni su bersaglio fisso

• Intanto la tecnologia necessaria per costruire acceleratori di particelle in laboratori avanzava rapidamente. Si poterono così studiare le particelle elementari in maniera sistematica!

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Acceleratori: principi di funzionamento

Campo elettrico: accelera

Campo magnetico: curva

Bq

vmR

Raggio di ciclotrone

Il primo ciclotrone fu costruito da E. Lawrence a Berkeley nel 1930

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L’acceleratore che abbiamo tutti

• Il tubo a raggi catodici, basato sul primo oscilloscopio, realizzato da K. F. Braun (1897)

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Acceleratori ed esperimenti• Gli acceleratoriacceleratori possono essere:

– Lineari– Circolari

• Si caratterizzano per:– Tipi di particelle accelerate nei fasci (elettroni, positroni, protoni,

antiprotoni, etc.)

– Luminosità istantanea L = f n1n2 / 4xy – Energia s = Ecm nel centro di massa (definisce quali processi

sono ottenibili fino a quella energia)

• Il numero di eventi prodotti in un tempo tt per un processo avente sezione d’urto è: N = L N = L tt

• Gli esperimentiesperimenti hanno tipicamente simmetria cilindrica e si sviluppano attorno al punto di collisione

_

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I primi grandi acceleratori

• 1952 BNL (Brookhaven National Laboratory): COSMOTRONE protoni da 3 GeV, 2000 ton di Fe, 20 m di diametro Conferma la produzione associata di particelle strane:

+ p K +

• 1954 LBL (Lawrence-Berkeley Laboratory): BEVATRONE protoni da 6 GeV, 10000 ton di Fe.

1955 E. Segrè e O. Chamberlain scoprono l’antiprotone in p p p p p p

• 1957 Dubna: SINCROFASATRONONE protoni da 10 GeV, 36000 ton di Fe

• Negli anni 1950 USA e URSS si rincorrevano nella sfida alle energie più alte, e l’Europa…?

_

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La nascita del CERN• La seconda guerra mondiale aveva mandato l’Europa in

rovina e disperso in USA i migliori fisici europei

• 1950 L’UNESCO approvò una risoluzione cui, due anni dopo, 11 paesi europei presero parte fondando il CERN (Consiglio Europeo per la Ricerca Nucleare)

• 1954 Nacque il CERN, tuttora il laboratorio di particelle elementari più grande del mondo.Sito scelto fu Meyrin, un piccolo paese vicino Ginevra

• 1959 ProtoSincrotrone, 24 GeV, 3200 ton, diametro 200 m

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Tante nuove particelle (troppe!)

• Con la ripresa economica internazionale, nuovi acceleratori raggiunsero energie sempre maggiori e si scoprirono nuove particelle: l’antineutrone, gli iperoni, varie risonanze, etc.

• Si provò una prima classificazione in barionibarioni (come p e n) e in mesonimesoni (come e K), ma sorse il dubbio che tutte queste nuove particelle non fossero davvero fondamentali.

• Frattanto altri nuovi fenomeni e scoperte sopraggiunsero:– 1955 B. Pontecorvo intuì come rivelare (anti)neutrini dai reattori

– 1956 C. Cowan e F. Reines scoprirono il neutrinoneutrino elettronico

– 1956 Dalla diffusione e-p si provò che il protone ha struttura interna

– 1958 Si osservarono la violazione di parità P e di carica C

– 1960 Costruzione dell’AGS al BNL dove si scoprì il neutrino muonico (1962) e la violazione di CP (1964) nei decadimenti del K0

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L’ipotesi dei quark• 1962 I tempi erano maturi per mettere ordine

allo zoo di particelle. M. Gell-Mann e Y. Neeman proposero la “via dell’ottetto”: previdero la –, scoperta subito dopo.

• 1964 Per spiegare tale simmetria, detta SU(3), M. Gell-Mann e G. Zweig idearono un modello in cui tutti gli “adroni” sono costituiti da quarkquark.

quarks

23

e+

13

e–

carica

uu

dd ss

• “Three quarks for Muster Mark” – J. Joyce 1939

• Organizzati in:– BarioniBarioni ( qqq )– AntibarioniAntibarioni ( qqq )– MesoniMesoni ( qq )

_ _ _

_p

n

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Riassumendo finora…

• Gli atomiatomi sono costituiti da tre tipi di particelle

– Elettroni– Protoni– Neutroni

• Protoni e neutroni (=nucleoni)– sono racchiusi nel nucleonucleo (~10-14

m), circondati da elettroni a distanza assai maggiore (~10-10 m) l’atomo è quasi “vuoto”

– sono fatti di quarkquark, costituenti ultimi della materia (o finora considerati tali!), ritenuti puntiformi, come gli elettroni

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La scoperta dei quark• 1967 Entra in funzione SLAC a Stanford

(California), l’acceleratore lineare di elettroni : energia di 20 GeV, lungo 3 km.

• Con un esperimento alla Rutherford, si usarono elettroni provando che i nucleoni sono costituiti da oggetti puntiformi (i quark)

• A metà degli anni 1960 le particelle elementari conosciute erano:– Quark : up, down, strange– Leptoni : e– , e , – ,

• 1970 Glashow, Iliopulous, Maiani ipotizzarono un quarto quark: il charm (carica +2/3 e)

+ le corrispondenti antiparticelle

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Il Modello Standard

• 1967 S. Weinberg, A. Salam e S. Glashow formularono una teoria unificata delle interazioni elettro-magnetica e debole (e con loro indipendentemente anche).

• La mediazione dell’interazione e.m. è affidata al fotone (), neutro e senza massa, quella dell’interazione debole richiede invece tre “bosoni” massivi (W+, W–, Z0).

• Per spiegare l’origine della massa dei suddetti bosoni, la teoria prevede il meccanismo di Higgsmeccanismo di Higgs, da attribuire a un altro bosone neutro, l’Higgs (H) tuttora ricercato da tutti gli esperimenti

WANTED

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Le correnti neutre deboli

• 1973 Al CERN si trovò evidenza di eventi con scambio di correnti neutre (scambio di Z0 nelle interazioni di fasci di neutrini) grazie a una camera a bolle enorme: quasi 12 m3 di Freon (CF3Br). GargamelleGargamelle

Corrente carica debole Corrente neutra debole

Ci vollero ancora 10 anni per una prova diretta dei W e dello Z0

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Scoperta del quark c• 1974 La prima particella contenente il

quark c (charmcharm), di carica +2/3e, fu scoperta da due gruppi guidati da S. Ting (BNL) e da B. Richter (SLAC).

• Ting a BNL condusse un esperimento con protoni da 30 GeV collidenti su fascio di berillio: p Be X: gli eventi con due muoni furono selezionati e la massa del sistema – mostrò un picco a 3.09 GeV/c2, chiamato JJ.

• Richter a SLAC diresse un esperimento con elettroni-positroni: e+e– X. Si ipotizzò la produzione di una particella, denominata .

• Le due scoperte riguardavano la medesima particella, battezzata J/J/.

Poche settimane dopo anche a Frascati fu scoperta la J/ spingendo oltre i propri limiti Adone (collider e+e– da 3 GeV)

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Leptoni di una nuova famiglia• 1975 All’anello collisionare e+e– di SLAC, M. Perl provò

l’esistenza di un leptone carico con massa ~3500 maggiore dell’elettrone e ~17 del muone, avente vita media di 0.3 ps: il .

• Perl e il suo gruppo videro 24 eventi con produzione anomala di leptoni nello stato finale di collisioni e+e– osservati a SPEAR – Mark I

• Per completare la simmetria richiesta dal Modello Standard, occorreva ipotizzare anche il neutrino della terza famiglia: il , poi scoperto nel 2000.

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Scoperta del quark b

• 1977 Al Fermilab (Chicago) fu scoperto da L. Lederman et al. un quinto tipo (o “sapore”) di quark: il bb (bottom oppure beauty), di carica -1/3e.

• Usando un fascio di protoni da 400 GeV vennero selezionati stati finali con due muoni: questi mostrarono un picco a ~9.5 GeV, interpretato come uno stato legato bb, denominato YY (Upsilon)

• Si provò dunque l’esistenza anche di una terza famiglia di quark. Si aprì così la caccia al sesto quark: il top.

_

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L’interazione debole e i bosoni vettori

• 1983 C. Rubbia e S. van der Meer scoprirono i bosoni vettori WW e ZZ00, mediatori della forza elettrodebole, lungamente cercati per provare la validità del Modello Standard

• Il collider SPS (r=1.1km) del CERN fu trasformato in SppS (usando protoni e antiprotoni) operando a un’energia nel centro di massa di 540 GeV e successivamente 630 GeV

• Agli esperimenti UA1UA1 e UA2UA2 furono visti eventi tipo pp :

→ WX → l X

→ Z → l +l – UA2UA2

_

_

e+

u

dW+

f

f

fZ

fm(W+) = 80.4 GeV/c2

m(Z0) = 91.2 GeV/c2

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La fisica del LEP

9 km

LEPSPSSPS

Lago di Ginevra

Jura

FranciaFrancia SvizzeraSvizzera

CERNCERN

aereoportoaereoporto

L3L3

AlephAleph

Opal

DelphiDelphi

• 19811981 Al CERN iniziò la costruzione del Al CERN iniziò la costruzione del LEPLEP (Large Electron Positron collider)(Large Electron Positron collider). . Il programma di fisica (1989-2000) Il programma di fisica (1989-2000) si basò su 4 grandi esperimenti si basò su 4 grandi esperimenti

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Il tunnel del LEP

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Risultati ottenuti al LEP

• LEP ha consentito misure di altissima precisione a conferma della validità del Modello Standard, ad esempio:– Misurare la massa del bosone Z0 con grande accuratezza

– Predire la massa del sesto quark (mt = 18110 GeV/c2)

– Stabilire che il numero di famiglie di neutrini è tre (2.9840.008)

• Dopo un primo run a 91 GeV mZc2, (1.7107 Z0 tra 1989 e 1995) l’energia nel centro di massa fu portata da 130 fino a 208 GeV nel 2000, nella speranza di osservare eventi di Higgs, ma invano…

• Se l’Higgs esiste, la sua massa è superiore a 115 GeV/c2

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Scoperta del quark top• 1995 Dopo quasi 20 anni di ricerche vane, agli esperimenti DD

e CDFCDF (Fermilab) vennero trovati eventi contenenti il sesto quark, il tt (top o truth), di carica +2/3e, m 170 GeV/c2

• Seguirono altre misure di alta precisione complementari a quelle ricavate al LEP

CDFCDF

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Scoperta dell’ultimo neutrino

• 2000 Al Fermilab l’esperimento DONUTDONUT annunciò la scoperta del neutrino del tau (), completando così la terza famiglia di leptoni

• La reazione considerata fu p→bersaglio→XDs→X→XY

• L’identificazione del “tau” fu complicata dalla sua breve vita media (~4mm): ciò richiese l’impiego di emulsioni nucleari, per avere risoluzioni di ~m

• Gli anni 2000 hanno visto il boom di esperimenti (non solo agli acceleratori) per lo studio della fisica del neutrino: si è provato che i hanno massa non nulla, oscillano, e possono avere importanti implicazioni astrofisiche e cosmologiche

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Il quadro è completo! (o quasi…)

• Dopo le numerose particelle scoperte negli ultimi decenni, con il la descrizione dei costituenti della materia (quarkquark e leptonileptoni) è al completo!

• Manca ancora all’appello il bosone di Higgsbosone di Higgs, responsabile del meccanismo di attribuzione di massa di tutte le particelle

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Oltre il Modello Standard• I fisici negli ultimi decenni hanno formulato vari modelli teorici

per provare a rispondere alle questioni irrisolte, tra i quali…• La SupersimmetriaSupersimmetria (SUSYSUSY), una tra le più accreditate• Nuovi bosoni vettori massivibosoni vettori massivi (WW/ ZZ)

qq

qq

ZZ′′

X

X

X

Y

Y

Y

• Particelle esotiche long-livedesotiche long-lived (HV, etc…)

• I micro-buchi nerimicro-buchi neri

Graviton (G)

Recoil

pp

• Le Extra-DimensionsExtra-Dimensions

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Premi Nobel che hanno fatto grande la Fisica delle Particelle

• 1906 J. J. Thomson• 1921 A. Einstein• 1922 N. Bohr• 1927 A. Compton, C. Wilson• 1932 W. Heisenberg• 1933 P. Dirac, E. Schrodinger• 1935 J. Chadwick• 1936 C. Anderson, V. Hess• 1938 E. Fermi• 1939 E. Lawrence• 1945 W. Pauli• 1949 H. Yukawa• 1950 C. Powell• 1954 M. Born, W. Bothe• 1957 T. Lee, C. Yang

• 1959 O. Chamberlain, E. Segrè• 1965 R. Feynman, J. Schwinger,

S. Tomonaga• 1969 M. Gell-Mann• 1976 B. Richter, S. Ting• 1979 S. Glashow, A. Salam,

S. Weinberg• 1980 J. Cronin, V. Fitch• 1984 S. van der Meer, C. Rubbia• 1988 L. Lederman, M. Schwartz,

J. Steinberger• 1992 J. Charpak• 1995 M. Perl, F. Reines• 1999 G. ‘t Hooft, M. Veltman• 2004 D. Gross, D. Politzer,

F. Wilczek

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La sfida di LHC• Il Large Hadron ColliderLarge Hadron Collider (LHC) al CERN si propone di

scoprire Nuova Fisica esplorando nuove regioni di energia• La sua costruzione è iniziata subito dopo LEP (2000)• Si faranno collidere protoni a 40 MHz

a energie senza precedenti: 7+7 TeV7+7 TeV • Luminosità di progetto 1034 cm-2s-1

• Oltre 1600 magneti superconduttori tenuti a T=1.9K da He superfluidoIl punto più freddo dell’Universo!

• Una sfida tecnologica a tutti i livelli• Dopo oltre dieci anni siamo pronti alle prime collisioni.

Oggi circoleranno i primi protoni nell’LHC e presto potremo osservare i primi eventi nei suoi grandi rivelatori

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Gli esperimenti all’LHC

ATLASATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)

25 m

46 m

CMSCMS (Compact

Muon Solenoid)

• I rivelatori general-purpose di LHC sono:

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Uno sguardo ad ATLAS

Bobine dei Bobine dei toroidi del toroidi del

cilindro centralecilindro centrale

Camere per Camere per rivelare muonirivelare muoniCalorimetro in Calorimetro in

avantiavanti

Tracciatore Tracciatore internointerno

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Trasporto e montaggio di ATLASToroide Toroide

magneticomagnetico

Durante Durante l’assemblaggiol’assemblaggio

Simulazione di Simulazione di mini buco neromini buco nero

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La collaborazione di ATLAS

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L’avventura sta per cominciare!

ATLASATLASControl RoomControl Room

• I numeri di ATLASATLAS:– Progettato nel 19921992– Oltre 21002100 tra fisici, ingegneri e tecnici– 167167 università e laboratori di 3737 nazioni– 3000 km di cavi, 101088 canali elettronici– Precisione fino a ~~10 10 mm– Acquisiti O(10O(101616) bytes) bytes /anno

Potremmo essere alla vigilia di Potremmo essere alla vigilia di grandi scoperte che potrebbero grandi scoperte che potrebbero

rivoluzionare le nostre rivoluzionare le nostre conoscenze nel campo della conoscenze nel campo della

Fisica fondamentale… Fisica fondamentale…

TENIAMOCI PRONTI !!!TENIAMOCI PRONTI !!!

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