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Tommaso Dorigo INFN, sezione di Padova Pieve di Cadore, 17 gennaio 2015 L’esplorazione del microcosmo con gli acceleratori di particelle.

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1 Tommaso Dorigo INFN, sezione di Padova Pieve di Cadore, 17 gennaio 2015 L’esplorazione del microcosmo con gli acceleratori di particelle

2 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 quantum_diaries_survivor Sito web: /quantum_diaries_survivor

3 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

4 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.

5 1- il principio di Occam “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. William of Ockham, monaco inglese del 14esimo secolo, espresse una lex parsimoniae che è un fondamentale strumento nella ricerca:

6 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.

7 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!

8 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.

9 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.

10 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.

11 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! Con Rutherford il paradigma della microscopia cambia: se vuoi studiare qualcosa e non riesci a vedere dentro, rompilo lanciandoci contro qualcos’altro! sorgente lamina d’oro   

12 L’invenzione di una nuova scienza 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 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

13 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…

14 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=mc 2 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 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.

15 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

16 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

17 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  +,  -,  0 hanno massa intorno a 140 MeV; i kaoni K +,K -,K 0, di massa intorno ai 500 MeV; i barioni  -,  0,  +,  ++ 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 !

18 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.

19 La rivoluzione di novembre 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 ? 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! 5 premi nobel per il charm!

20 …Con la spettroscopia! 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. 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 ?

21 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

22 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”). 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! q g q q q’ q

23 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

24 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 !

25 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.

26 Il 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 W e Z La gravità non è inclusa nel modello 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.

27 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)

28 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 !!

29 Just for fun…

30 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!

31 LHC, ATLAS E CMS: LE MACCHINE DI NUOVA FISICA

32 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

33 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

34 CMS inside-out

35 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 !

36 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. Inoltre, solo alcuni dei decadimenti possibili possono essere distinti con successo dai processi di fondo: –H  ZZ  μμμμ –H  γγ –Η  WW  eνμν Si tratta quindi della classica ricerca dell’ago nel pagliaio... 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

37 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=M H, 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 !

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39 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.

40 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. M H 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!

41 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

42 E le Extra Dimensioni ? Fra le teorie che estendono il modello standard, ve ne sono alcune che suggeriscono l’esistenza di dimensioni addizionali dello spazio- tempo 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.

43 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

44 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:

45 Backup slides

46 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!

47 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

48 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!

49 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 !

50 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 !

51 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 = [(  E x ) 2 + (  E y ) 2 ] 0.5 e si misura anche l’angolo nel piano trasverso:  = - atan(  y, /  x ) 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.

52 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

53 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

54 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...” Il segnale H  γγ di CMS Studi sull’Higgs


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