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AIF – Scuola di Storia della Fisica, 2005 La scoperta delle particelle strane Arturo Russo Dipartimento di Fisica e Tecnologie Relative Università di Palermo.

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1 AIF – Scuola di Storia della Fisica, 2005 La scoperta delle particelle strane Arturo Russo Dipartimento di Fisica e Tecnologie Relative Università di Palermo

2 Le particelle elementari (1947) Materia e radiazioneProtone (p),neutrone (n), elettrone (e ), fotone ( ) Forze nucleari Pione (mesone ) Anti-elettronePositrone (e + ) Decadimento beta Neutrino ( ) (teorica) Decadimento del pione Muone (mesone ) e

3 I raggi cosmici (1947)

4 La scoperta delle particelle V ( George Rochester e Clifford Butler) 15 ottobre maggio 1947 (2 fotografie tra 5000)

5 Un mesone pesante Massa delle V 1000 m e Massa del pione273 m e Massa del muone207 m e Massa del protone1840 m e

6 Una scoperta casuale ? Clifford Butler The result of good fortune, good science and the right technique (G. Rochester)

7 Il laboratorio di Blackett a Manchester Patrick Blackett L. Janossy, D. Broadbent e G. Rochester

8 L'observatoire du Pic du Midi

9 Pic du Midi (Settembre 1949) Beppo Occhialini Patrick Blackett

10 Il magnete al Pic du Midi Luglio 1950

11 La conferma dalla California (Novembre 1949) Carl Anderson 34 eventi di tipo V in fotografie in camera a nebbia 30 eventi mostrano il decadimento di una particella neutra in due cariche 4 eventi mostrano il decadimento di una particella carica in una seconda particella carica più, presumibilmente, una neutra 6 eventi (tutti del primo tipo) a Pasadena, 28 sulla White Mountain (3200 m s.l.m.)

12 Un'altra scoperta … o la stessa? Cecil Powell : si conferma m 1000 m e

13 La grande stagione dei "cosmiciens" ( ) Montagnes, ballons, avions: le physiciens ont connu una dernière époque aventureuse, un dernier bain de nature, avant le grand enfermement dans le beton des accélérateurs (La matière première, 1987) Michel Crozon

14 La ricerca di un quadro coerente (1950 – 1955) La natura come laboratorio, spirito d'avventura e disponibilità a lavorare in condizioni disagiate Paziente lavoro di raccolta e interpretazione delle tracce, classificazione sistematica degli eventi, ricerca di una nomenclatura razionale Confronto tra risultati ottenuti da diversi gruppi di ricercatori in convegni e congressi Vari laboratori europei e americani impegnati in un'attività che richiama lo spirito e i metodi del naturalismo ottocentesco

15 La fisica dei raggi cosmici in Europa negli anni '50 Scuola di formazione della nuova generazione di fisici sperimentali Solidarietà e collaborazione internazionale Orgoglio di fronte alla sfida dei grandi acceleratori americani

16 Due interpretazioni della nascita della "big physics" Ad alta intensità di capitale negli Stati Uniti, sull'onda del progetto Manhattan (grandi laboratori e grandi macchine) Ad alta intensità di lavoro nell'Europa che emerge dalle rovine della guerra (collaborazioni internazionali ed emulsioni nucleari)

17 I risultati del Pic du Midi ( ) Due tipi di particelle V neutre (V°): V° 1 p + (massa 2200 m e ) V° 2 + (massa 800 m e ) Due ipotesi sulle particelle V cariche: V oppure V (massa 1100 –1200 m e )

18 Conferme per le V neutre (Rochester conference 1952) I risultati del Pic du Midi per le V neutre sono confermati da quattro gruppi americani: - Caltech (Carl Anderson e coll.) - Indiana University (Robert Thompson e coll.) - Berkeley (William Fretter) - MIT (Bruno Rossi e coll.)

19 La camera "multiplate" W. Fretter (1951) B. Rossi (1953)

20 Problemi per le V cariche "Particelle […] che decadono in volo in camera a nebbia producendo una caratteristica traccia biforcuta a grande angolo" (Rochester e Butler, 1953) Dopo l'iniziale osservazione del 1947, altre ne erano state osservate da vari gruppi, ma le particelle cariche erano molto più rare di quelle neutre e le ipotesi molto più controverse.

21 Un decadimento a cascata Y V 0 1 V 0 1 p (Massa 2600 m e ) Pic du Midi (1952) (confermato a Caltech)

22 Le particelle K degli emulsionisti (circa 1953) e m 970 m e m 1125 m e m m e Jungfraujoch

23 Quale relazione tra le particelle V in camera a nebbia e le particelle K nelle emulsioni nucleari ? Probabilmente e V sono la stessa particella, caratterizzata da un decadimento in 3 particelle di cui una carica, probabilmente

24 Le particelle S di MIT ( ) 33 eventi in foto Decadimento da ferma ("stopped") Massa m e Probabile decadimento:

25 Le conclusioni di Rossi e coll. S = V = Decadimento in 2 particelle, di cui una carica ( o )

26 La situazione si presentava affascinante, ma nello stesso tempo caratterizzata da una enorme confusione ! G. Rochester, 1989

27 Bagnères de Bigorre (Luglio 1953)

28 I nomi e le cose Mesoni leggeri (L): pione ( ) e muone ( ) Mesoni pesanti (K):particelle di massa intermedia tra quella del pione e quella del protone (V, S,,,, ….) Iperoni (Y):particelle di massa maggiore di quella del neutrone ( Y, …) Lettere greche maiuscole per gli iperoni e minuscole per i mesoni

29 Un primo quadro per gli iperoni (1953 – 1954) V01:V01: 0 p + (massa 2181 m e ) Y : (massa 2600 m e ) p + n + (massa 2300 m e ) n + (da Brookhaven) n + (scoperta nel 1957)

30 Quanti mesoni K? (La situazione a Bagnères de Bigorre) Dalle camere a nebbia V 2 (massa 971 m e ) V (massa m e ) S (massa 1000 m e ) (da nuovi dati di MIT, una delle probabilmente ) Dalle emulsioni ( 50 eventi) (massa 966 m e ) ' (presumibilmente ) (massa 1125 m e ) (massa m e )

31 Particelle diverse o una sola particella con diversi modi di decadimento?

32 Le conclusioni di B. Rossi a Bagnères de Bigorre "Due particelle dovrebbero essere considerate identiche finché non si sarà provato che sono differenti" B. Rossi, G. Bernardini, E. Fermi

33 Quindi …. Un solo mesone K carico con due modi di decadimento: Un mesone K neutro: V : La particella non esiste

34 Ma …. I fisici di Bristol sono ragionevolmente convinti dell'esistenza della particella La massa della particella ( 1125 m e ) è maggiore di quella della particella (966 m e ). Eccetera ….

35 Nuovi risultati ( ) Da MIT sulle particelle S Dagli emulsionisti sui mesoni K Dalla camera a nebbia di Princeton a Echo Lake (Colorado) Echo Lake e e e e (massa 970 m e )

36 Di conseguenza…. Si conferma l'esistenza della particella e si può anche concludere che Un unico mesone pesante con tre stati di carica che decade in una coppia di pioni:

37 Il nuovo quadro dei mesoni K carichi SimboloDecadimentoMassa 966 m e 970 m e 1125 m e

38 Il " puzzle" Le particelle e : - hanno la stessa massa - hanno la stessa vita media - decadono entrambe producendo pioni? Sono la stessa particella?

39 No, perché lo stato di tre pioni prodotto dal decadimento della differisce in momento angolare e/o parità dallo stato di due pioni prodotto dal decadimento della No, perché lo stato di tre pioni prodotto dal decadimento della differisce in momento angolare e/o parità dallo stato di due pioni prodotto dal decadimento della Richard Dalitz Dalitz plot In emulsioni ad alta quota (palloni) In camere a nebbia ad alta quota (montagna)

40 Ma è vero che la parità si conserva nei decadimenti prodotti da interazione debole ? Nessuna prova sperimentale ! Tsun Dao Lee Chen Ning Yang (1956)

41 No, la parità non si conserva nelle interazioni deboli ! Chien-Shiung Wu Richard Garwin Leon Lederman n p + e e p

42 Abraham Pais "Con l'arrivo della primavera del 1957 risultò del tutto certo che parità [P] e coniugazione di carica [C] sono violate nei processi dovuti a interazioni deboli ovunque si guardasse. E inoltre gli effetti erano macroscopici" Sembrava invece confermata l'invarianza PC, ovvero la simmetria rispetto a riflessione spaziale e contemporanea coniugazione di carica. Nel 1964, arriverà da Brookhaven che anche questa simmetria viene violata nel decadimento dei mesoni K neutri.

43 L'arrivo di "Camus (1954) Charles Peyrou Bernard Gregory Il nuovo apparato sperimentale dellEcole Polytechnique al Pic du Midi trova ottima evidenza dellesistenza di una particella K : K + m 935 m e ) certamente diversa dalla degli emulsionisti di Bristol (che decade in tre corpi e ha massa maggiore)

44 Quanti mesoni K carichi? SimboloDecadimentoMassa 966 m e 970 m e 1125 m e m e

45 Si può semplificare? Pur mantenendo la differenza tra e, sembrava che si potesse ricondurre tutto a due mesoni K: 3 Ma la, con la sua grande massa non sembrava potesse rientrare in questo schema semplificato.

46 La sfida degli emulsionisti europei: Risolvere il problema una volta per tutte prima dell'arrivo degli acceleratori americani

47 L. Leprince-Ringuet "Dobbiamo far presto, dobbiamo correre senza rallentare il ritmo perché siamo incalzati dalle macchine […] Sappiamo che potremmo andare a riposarci in campagna per sei mesi e al nostro ritorno sapremo da Brookhaven la verità sui problemi di cui abbiamo discusso […] Ci troviamo, credo, nella posizione di un gruppo di alpinisti che scalano una montagna molto alta e ci inerpichiamo in condizioni sempre più difficili. Ma non possiamo fermarci a dormire perché, proveniente dal basso, sotto di noi, si sta sollevando una marea, un'inondazione, un diluvio che cresce continuamente e ci costringe a salire sempre più in alto."

48 Un problema di range In un decadimento a due corpi ( ) con una particella neutra di massa nulla ( ), lo spettro dei muoni è sostanzialmente monoenergetico, corrispondente a un range ~ 90 gr/cm 2. E quello che hanno osservato al Pic du Midi e a Echo Lake (MIT). In un decadimento a tre corpi ( ), lo spettro è continuo, e così anche la distribuzione dei range dei mesoni. E quello che hanno osservato gli emulsionisti di Bristol.

49 Il G-Stack experiment (ottobre 1954) C. Powell e G. Occhialini Per osservare un muone che attraversa ~ 100 gr/cm 2 di materia prima di decadere occorrono almeno 20 cm di emulsione nucleare.

50 Lavventura degli esperimenti in pallone (1952, 1953, 1954)

51 I risultati del G-Stack DecadimentoFrequenza (%) Massa (m e ) e

52 Un unico mesone K Si conferma così la sostanziale identità di e e quindi, dopo la soluzione del puzzle e larrivo dei primi risultati dal Bevatrone di Berkeley, di tutti i mesoni.

53 Arriva il tempo dei teorici e delle grandi macchine. La grande stagione dei "cosmiciens" nella fisica delle particelle elementari è terminata


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