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Tommaso Dorigo INFN, sezione di Padova Treviso - 5 febbraio 2014 La Fisica delle Particelle Elementari: Uno Sguardo Verso l’Infinitamente Piccolo.

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1 Tommaso Dorigo INFN, sezione di Padova Treviso - 5 febbraio 2014 La Fisica delle Particelle Elementari: Uno Sguardo Verso l’Infinitamente Piccolo

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 William of Ockham, monaco inglese del 14esimo secolo, espresse una lex parsimoniae che è un fondamentale strumento nella ricerca: “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.

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.

7 Nel XIX secolo la chimica “esplode” come scienza sperimentale, grazie alla classificazione delle sostanze note e lo studio quantitativo delle loro proprietà. Si comprese come la materia era fatta di molecole di vari elementi, dotati di distinte caratteristiche e proprietà L’analisi chimica degli elementi conosciuti spinse gli scienziati del tempo a cercarne un’organizzazione semplice, una classificazione che potesse ricondurre a uno schema semplice. Mendeleev nel 1869 dimostrò che gli elementi, se organizzati secondo la massa atomica, mostrano una periodicità nelle loro proprietà fisico-chimiche La classificazione degli elementi nuovi permette di prevedere l’esistenza di elementi ancora non scoperti, e le loro proprietà. Usando la sua classificazione, Mendeleev previde l’esistenza di nuovi elementi come germanio (eka-silicon) e gallio (eka-aluminum). La classificazione come metodo scientifico è un paradigma di fondamentale importanza anche per la fisica nel XX secolo, come vedremo.

8 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. Un codice a barre!

9 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. Il loro cammino fu però deformato da “fattori di disturbo” capaci di bloccarne lo sviluppo per secoli: la religione e le altre forme di superstizione, la mancanza di una stabile organizzazione dello stato, le guerre, le malattie, la miseria…. Potrebbe sembrare che dall’illuminismo in poi ne siamo usciti: eppure, questi fattori di disturbo sono ancora intorno a noi e ritardano i progressi della ricerca.

10 Fattori di disturbo: 1 -superstizione e religione Giordano Bruno, accusato di eresia (haereticus=capace di scegliere), fu messo al rogo dall’inquisizione nel Le sue ultime parole “E pur si muove!” si riferiscono alla terra in moto attorno al sole: Bruno insegnava la teoria Copernicana. Religione e scienza non vanno molto d’accordo. La religione, basandosi su verità indiscutibili, contraddice nel profondo la vera essenza del metodo scientifico. Questa contrapposizione sussiste a tutt’oggi, basti pensare all’acerrima lotta fra evoluzionisti e sostenitori della fede dell’”Intelligent Design” che infuoca l’America, o alla scellerata opposizione della Chiesa alla ricerca di cure a malattie incurabili con le cellule staminali.

11 Fattori di disturbo: 2 - le priorità delle società moderne Nel 1993, il congresso americano cancellò i fondi per la costruzione del Superconducting SuperCollider, in progetto dal 1983 e già in corso di realizzazione –Circa 2 miliardi di dollari “risparmiati”… Qualche $ in più nelle tasche dei contribuenti. Risultato: siamo indietro di oltre 10 anni nella ricerca fondamentale; i 20km di tunnel sotterraneo già scavati in Texas però forniscono un ottimo ambiente per la coltivazione di funghi. Bilancio americano 2010: Dept. of Energy: 26.3 B$ Dept. of Defence: 663 B$ Budget INFN 2001: ME (euro 2008) Budget INFN 2008: ME = -19% Il problema: La scienza non “vende” più Non serve più a “rimanere al comando” del progresso tecnologico nella corsa agli armamenti: la ricerca per applicazioni belliche ha preso una via indipendente Non è più vista con gran favore dall’opinione pubblica Gli scienziati sono dei pessimi comunicatori La cultura di base si impoverisce di contenuti scientifici, e si crea una barriera linguistica

12 … Ma torniamo alle enormi macchine ! Potremmo discutere a lungo del progresso scientifico, di cosa lo ostacola e cosa lo spinge. Ma rimaniamo invece nella fisica. Lo sviluppo tecnologico, i gadgets, dunque. I fisici hanno bisogno di strumenti sempre più costosi per indagare la struttura intima della materia. –“Why is it that you physicists always require so much expensive equipment ? Now the department of Mathematics requires nothing but money for paper, pencils and waste paper baskets and the department of Phylosophy is better still. It does not even ask for waste paper baskets.” (anonimo presidente di università americana). –I giganteschi acceleratori e rivelatori di particelle di cui parleremo oltre la sono in effetti giocattoli piuttosto costosi. Ma a cosa servono ? Gli acceleratori sono i microscopi più potenti che abbiamo per studiare il mondo fisico subnucleare.

13 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, quando le dimensioni dell’oggetto di cui si cerca un’immagine sono confrontabili con la lunghezza d’onda della luce incidente 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 ancor 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.

14 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.

15 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 indeflessi.. Invece, i suoi assistenti Geiger e Marsden osservano che in rari casi le particelle alfa subiscono “scattering” a grande angolo, alcune addirittura rimbalzando indietro! A pensarci bene, Lord Rutherford fu un vero genio. Scoprì l’esistenza del nucleo usando… nuclei! sorgente lamina d’oro   

16 L’invenzione di una nuova scienza 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 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 in realtà ci sono almeno un paio di osservazioni che danno di che pensare: –L’antimateria: Andersson nel 1933 scopre il positrone nei raggi cosmici –Il neutrino di Pauli: una particella ipotizzata per spiegare l’energia mancante nei decadimenti radioattivi Tuttavia, la misura diventa colma solo quando si scopre che fra i raggi cosmici vi è una particella finora sconosciuta, il muone.

17 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…

18 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.

19 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) –la massima d.d.p è limitata a 1 MeV  delle due l’una: si costruiscono migliaia di cavità acceleranti  acceleratori lineari (LINAC) 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

20 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

21 Lo studio delle reazioni Nella collisione di alta energia fra un protone accelerato da un ciclotrone e un protone di un bersaglio, si può assistere alla produzione di nuove particelle La cinematica relativistica permette di calcolare la massima massa M dei corpi producibili in una collisione: M 2 = 2 m E ove E è l’energia della particella incidente, m la massa del bersaglio Si trova però che non tutte le reazioni energeticamente possibili hanno luogo: vi sono delle quantità addizionali che si conservano, oltre all’energia e l’impulso  solo le reazioni che conservano queste quantità possono avvenire Dallo studio delle reazioni osservate e non, si trova che è necessario ad esempio ipotizzare che il protone e il neutrone posseggano un numero quantico additivo, che si conserva nelle reazioni: il numero barionico. Non si può, ad esempio, creare un protone nella reazione p+p  p+p+p mentre la reazione p+p  p+p+p+anti-p non viola la conservazione del numero barionico – e infatti si osserva.

22 Fermi e il neutrino Enrico Fermi studiando il decadimento delle sostanze radioattive inventa negli anni ’30 un formalismo con il quale è possibile descriverne gli aspetti fondamentali e calcolare alcune proprietà, come le vite medie delle particelle Nella sua teoria compare il neutrino, ipotizzato da Pauli nel 1930 per spiegare l’energia mancante nei decadimenti beta. A seguito della formalizzazione di Fermi delle “interazioni deboli”, molte reazioni di decadimento trovano una spiegazione economica. Il neutrino, particella priva di massa, non possiede carica elettrica e interagisce solo debolmente con la materia: è a tutti gli effetti invisibile n p e

23 Leptoni e Adroni Elettroni, muoni e neutrini non sono di solito prodotti nelle interazioni primarie che si osservano grazie agli acceleratori. Essi appartengono a una classe a parte: una felice classificazione basata sulla fenomenologia! Le particelle comunemente prodotte con grande intensità nelle collisioni (pioni , kaoni , barioni , , …) sono diverse anche perché soggette a rapidissima disintegrazione. I primi, leggeri e debolmente interagenti, sono detti leptoni. Le seconde sono chiamate adroni, in quanto soggetti all’interazione forte. Si tratta di una classificazione che permette di prevedere l’occorrenza di alcune reazioni, poi osservate, e la mancanza di altre, proibite dalla conservazione di un nuovo numero quantico: il “numero leptonico”. –Se non ho leptoni nello “stato iniziale” che genera la collisione, non posso averne nello stato finale, a meno che non produca stati leptone-antileptone.

24 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 e numero barionico B=0; i kaoni K +,K -,K 0, di massa intorno ai 500 MeV, e pure B=0; i barioni  -,  0,  +,  ++ hanno massa di poco superiore al GeV e B=1. 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 !

25 Classi di decadimenti –Il decadimento delle particelle è un concetto utile per aiutare la divisione in classi: maggiore è la forza dell’interazione responsabile della disintegrazione delle particelle, e più rapidamente essa avviene Interazione forte: le particelle decadono in tempi di s (un centimiliardesimo di miliardesimo di secondo!) e inferiori –Esempio:  ++  p  + Interazione elettromagnetica: le particelle decadono in tempi intorno ai secondi (un milionesimo di miliardesimo di secondo) –Esempio: il pione neutro  0   Interazione debole: le particelle decadono in tempi di secondi (un milionesimo di milionesimo di secondo) e superiori –Esempio: i pioni carichi   , i kaoni K   e

26 La stranezza: il mistero si infittisce Come abbiamo visto, si possono classificare le particelle in base alle loro caratteristiche misurabili Alcune di esse, scoperte a partire dalla fine degli anni ’40, sembrano “strane”: sono prodotte molto copiosamente –il che indica una produzione “forte”, ma decadono molto lentamente –con tempi tipici delle interazioni “deboli”, quelle responsabili dei decadimenti radioattivi. Attenzione, i pioni non sono strani, perché per loro un decadimento “forte” non è possibile, è vietato dalla conservazione dell’energia: sono i mesoni più leggeri Invece i kaoni sono prodotti con alta frequenza, e decadono in secondi anche se esistono stati adronici più leggeri (i pioni!) Nuovamente è la loro classificazione a fornire una potenziale soluzione dell’enigma: si scopre che le particelle “strane” sono prodotte in coppia. Si ipotizza allora che vi sia un nuovo numero quantico che le distingue dalle altre: la stranezza S. Positiva e negativa per particelle strane e antiparticelle, e’ additiva. Se S=0 all’inizio, S=0 alla fine  +1-1=0 p p  p p K + K - si osserva, mentre p p  p p  - K + no;  p  K     p si osserva (vedi fotografia a destra),  p  K  non si osserva. fascio di pioni

27 L’ipotesi dei quarks La misura è colma negli anni ’60, gli indizi sono sufficienti. Murray Gell-Mann nel 1964 concepisce 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! uds Carica el.2/3-1/3 Stranezza001 Numero barionico 1/3 Protoni, neutroni, pioni, kaoni, e gli altri adroni sono tutti descrivibili come somma di due o tre quarks.

28 Simmetrie e strutture soggiacenti Ogni mesone (B=0) è composto da una coppia quark-antiquark: K + (u anti-s) Q=1 =2/3 – (– 1/3) B=0 = 1/3 – (1/3) S=1 = K 0 (d anti-s) Q=0 = 1/3 – (– 1/3) B=0 = 1/3 – (1/3) S =1 = K + e K 0 formano un “doppietto” e l’operazione di scambio (u  d) li trasforma uno nell’altro il tripletto di pioni ha stranezza 0, ed è costituito da  - (anti-u d),  0 (anti-d d),  + (u anti-d) Appare evidente una struttura, un gruppo di simmetria rispetto allo scambio di un quark con l’altro. Le interazioni forti, responsabili della produzione degli adroni, non distinguono il sapore dei loro quark: per esse ogni quark è uguale a un altro, e l’operazione di scambio non modifica nulla

29 Simmetrie di barioni I barioni sono terne di quarks: p = (uud) ha B=1, S=0, Q=1=2/3+2/3-1/3 n = (udd) ha B=1, S=0, Q=0=2/3-1/3-1/3 Lo scambio di un quark u con un d è l’operazione di simmetria che trasforma protone in neutrone Consideriamo il decupletto barionico: gli stati  ++ (uuu),  + (uud),  0 (udd),  - (ddd) si comportano allo stesso modo Invece se studiamo lo scambio d  s:  - (ddd)   - (dds)   - (dss)   - (sss) Alla  - si arriva anche da  ++ facendo u  s:  ++ (uuu)   + (uus)   0 (uss)   - (sss) E’ grazie a questo schema che la  - viene ipotizzata, e poi scoperta: come il germanio!

30 La scoperta della  - A Brookhaven nel 1964 un fascio di 5 GeV di K - interagisce coi protoni del bersaglio generando la seguente sequenza: Successivamente la lambda decade in protone e pione,e i due fotoni emessi dal pione neutro convertono entrambi (caso raro) in coppie elettrone-positrone. La cinematica permette di calcolare la massa della , in ottimo accordo con le previsioni.

31 Il colore dei quarks I quarks hanno qualcos’altro di strano rispetto a tutte le altre particelle finora note: i quarks sono fermioni –hanno cioè spin ½ - e la meccanica quantistica impone che non si possano formare particelle con tre fermioni indistinguibili (come la  ++ =uuu), perché il loro spin (1/2) è come quello dell’elettrone, e il principio di esclusione di Pauli rende nulla la probabilità della loro combinazione Ma la  ++ esiste ! E anche la  - (sss) ! Si ipotizza allora, per ovviare all’inconsistenza, che i quarks siano dotati di un altro numero quantico capace di distinguerli: il colore. I quarks possono essere rossi, gialli e blu. Gli antiquarks saranno allora anti-rossi, anti-gialli e anti-blu. La combinazione di una terna di colori (rgb) o anticolori (anti-r anti-g anti-b) ha carica netta di colore nulla, e così pure le combinazioni (r anti-r), (b anti-b), (g anti-g). Solo gli stati senza colore si osservano in natura. Un magheggio matematico o realtà fisica? Lo vedremo! Per ora osserviamo che si tratta di una spiegazione economica!!!!

32 Il meccanismo GIM L’ipotesi di Gell-Mann rimane un artificio matematico fino al Glashow, Iliopoulos e Majani, tre fisici teorici, nel 1970 hanno un cruccio: se calcolano la probabilità di decadimento di un mesone K neutro in due muoni, trovano un valore in contrasto con le osservazioni: il decadimento K   non si osserva, ma dovrebbe! A meno che… Se esiste un quarto quark c (c sta per charm, fascino), il suo effetto sul decadimento studiato sarebbe di cancellarlo quasi completamente! Ma deve essere pesante, più del protone… Altrimenti i conti non tornano: un quarto quark leggero non basterebbe a spiegare la mancanza di decadimenti K  . In fisica subnucleare, ogni fenomeno che non è proibito da una legge necessariamente accade, con una frequenza calcolabile dalle leggi che lo descrivono. Ecco perché il rasoio di Occam rimane quieto all’ipotesi del charm!

33 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 ? Dunque i quarks non sono tre ma quattro ? Nel 1974 due esperimenti concorrenti, guidati da Burton Richter (a destra) e Samuel Ting (in basso), identificano una particella finora sconosciuta, chiamata J/psi e di massa pari a 3.1 GeV. La J/psi 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!

34 …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/psi – permette di verificare che il modello fisico (stato legato di due quark charm) è accurato! Ricordate il codice a barre ?

35 Una nuova dimensione… L’introduzione del quarto quark, charm, obbliga a passare dalla descrizione gruppale SU(3) – ottenuta dalla permutazione dei tre quarks u,d,s – al gruppo SU(4). Abbiamo bisogno di tre dimensioni per disegnare i diagrammi della composizione dei barioni in quarks! Ne risulta la previsione dell’esistenza di nuove particelle – ancora più massive della J/psi (per questo non erano ancora stati scoperti!) che poco alla volta sono puntualmente osservati in reazioni di alta energia. Ormai, però, l’interesse per la classificazione spettroscopica si sposta dagli adroni ai quarks!

36 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

37 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

38 Evidenza dell’interazione forte: Jets adronici I quarks e i gluoni non possono vivere liberi, a causa del confinamento del colore Se “scalciati” fuori dai protoni ad altissima energia, i quarks e gluoni estendono una stringa di colore, che si rompe, frammentano in un gran numero di adroni: l’energia del loro moto si converte in massa delle particelle prodotte La frammentazione crea un fiotto collimato di particelle Misurando l’energia e la direzione dei corpi prodotti si può comunque all’energia iniziale del quark o gluone che ha dato origine al jet     Negli “event display” delle collisioni fra particelle osservate da un moderno rivelatore, si osservano jet adronici come depositi localizzati di energia Se il rivelatore è un cilindro (lungo il cui asse viaggiano le particelle che si scontrano al centro) si raffigurano la visione trasversale e quella “srotolata”

39 2 - L’interazione debole Il modello di Fermi del decadimento  non è sufficiente a spiegare la fenomenologia delle interazioni deboli (decadimenti di adroni e muoni) Serve lavorare in analogia all’elettrodinamica quantistica, sviluppata negli anni ’50: l’interazione elettromagnetica è ricondotta allo scambio di fotoni E’ economico supporre che l’interazione debole derivi dallo scambio di bosoni W, di massa elevata. Ma con soli W la teoria non sta in piedi! Alla fine degli anni ’60 nasce il modello elettrodebole di Glashow, Salam e Weinberg: l’interazione elettromagnetica e quella debole vengono concepite come due manifestazioni di un solo meccanismo; se è vera, devono esistere bosoni deboli neutri! La teoria GSW è economica, elegante, e nel 1971 viene provata la sua consistenza teorica. Ma serve una verifica sperimentale...

40 La ricerca dei bosoni elettrodeboli Le interazioni deboli 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 Il modello GSW prevede l’esistenza non solo di correnti deboli cariche, ma anche di correnti deboli neutre – fino ad allora mai viste. La necessità di un bosone Z massivo deriva dal fatto che la teoria non funziona senza di essi! –Il calcolo della probabilità di alcune reazioni con bosoni vettori W dà risultato infinito: la teoria non è rinormalizzabile senza le Z Come era già accaduto in passato, la Natura obbedisce ai fisici !! La richiesta Occamista di una teoria “semplice” e di una struttura logica elegante viene soddisfatta. La ricerca di correnti deboli neutre è un successo del modello standard: nel 1973 esse vengono osservate al CERN con fasci di neutrini!

41 Ma i bosoni W e Z dove sono ? L’osservazione dello scattering -p è evidenza delle correnti neutre, ma non prova oltre ogni dubbio l’esistenza di bosoni vettori massivi Bisognerà aspettare 10 anni per osservare direttamente la creazione e il decadimento di queste particelle, fondamentali ingredienti del modello elettrodebole Nel 1983, gli esperimenti UA1 e UA2 al CERN faranno finalmente centro Nel 1984 Rubbia e Van der Meer ottengono il premio Nobel per la Fisica

42 3 – l’interazione elettromagnetica L’interazione elettromagnetica è trasportata dal fotone, particella priva di massa  l’interazione ha un range infinito 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 !

43 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.  Ma c’è di più… L’universo potrebbe riservarci delle sorprese: alcuni pensano che la gravità non sia esattamente quella descritta da Newton su scale cosmologiche, e vada modificata per risolvere alcune osservazioni sperimentali sulla materia presente nell’universo L’evidenza per la materia oscura viene principalmente dalla rotazione delle galassie. Se la legge di Newton fosse leggermente diversa a distanze galattiche non servirebbe…

44 Il Modello Standard Il modello GSW, unito al meccanismo di rottura della simmetria elettrodebole ipotizzato da Peter Higgs – una spiegazione teorica del motivo per cui W e Z hanno grande massa mentre il fotone rimane a massa nulla – costituisce quello che chiamiamo 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

45 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)

46 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 !!

47 Just for fun…

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50 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 a luglio scorso 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.

51 ATLAS E CMS: LE MACCHINE DI NUOVA FISICA

52 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

53 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

54 CMS inside-out

55 I rivelatori di oggi – in una slide 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 !

56 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

57 La Scoperta del Bosone di Higgs Per produrre il bosone di Higgs, ed osservarne i decadimenti, servono MOLTE collisioni di ALTA energia: –Al Tevatron (2 TeV): probabilità (pp  H) = –All’energia di LHC (7 e poi 8 TeV): P(pp  H)=3* 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

58 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 !

59 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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61 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 particelle a spin ½ (leptoni e quarks) e particelle a spin intero (bosoni vettori). 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.

62 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

63 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!

64 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” Se c’è un esempio più eclatante di una teoria che calpesta questo principio, vorrei conoscerlo!!

65 Di cosa è fatta la materia oscura ? A parte SUSY, esistono molti altri modelli di fisica oltre il modello standard che comprendono uno o più candidati di materia oscura : –UED KK gravitons –RS KK gravitons –sneutrino –gravitino –little higgs –assioni –buchi neri primordiali –champs –neutrini pesanti –neutrini sterili –you name it Buona parte di questi stati dà un segnale identificabile a LHC tramite l’analisi inclusiva dello spettro di energia trasversa mancante. Alcuni modelli si confondono con SUSY… Le ricerche “signature-based” sono fondamentali in questa situazione per stabilire l’esistenza di nuova fisica, ma la maggior parte del lavoro comincerà dopo, quando bisognerà cercare di capire con che teoria abbiamo a che fare. ?

66 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 “brane”, una ipersuperficie di questo spazio multidimensionale; le forze sono ristrette in uno strato sottile La gravità si “estende” nelle dimensioni addizionali (bulk), “spargendo” la sua intensità in un volume maggiore. Si può investigare la correttezza di questa teoria studiando la gravità a distanze piccole (inferiori al millimetro) – sperimentalmente difficile! Si può però pensare che a LHC produrremo eventi in cui una particella viene prodotta e “sfugge” nel bulk 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.

67 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 Siamo alla vigilia di una nuova rivoluzione scientifica ? Forse si... e forse no. E qual è il futuro della fisica delle particelle ???

68 Il futuro della fisica Il futuro della fisica delle particelle… SIETE VOI! -Il modello standard è insufficiente -Servono nuove idee (quelle vecchie muoiono con le persone che le sostengono) -Il panorama teorico è contraddittorio e fermo da 30 anni -Ma la tecnologia avanza a ritmo inarrestabile! -Vi piace la Fisica ? Siete affascinati dallo scoprire come funzionano le cose ? Allora non vi spaventate, studiatela! -Scoprirete che i fisici non sono “geni”, ma persone comuni con una dedizione alla ricerca scientifica e la voglia di scoprire l’ignoto -Anche voi potete diventare scienziati ! -Fra tre-quattro anni potreste laurearvi con una tesi sulla nuova fisica di LHC, e fra sette-otto anni qualcuno di voi potrebbe lasciare il segno con una tesi di dottorato importante -Non diventerete mai ricchi, ma diventerete sapienti, girerete il mondo, conoscerete persone straordinarie, e metterete le mani su strumenti fantascientifici… In bocca al lupo!!

69 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:

70 Backup slides

71 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!

72 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

73 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!

74 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 !

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76 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 !

77 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.


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