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Introduzione alle attività dei Laboratori Nazionali di Frascati dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare A cura di L.Benussi, P. Gianotti, G.Mazzitelli,

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2 Introduzione alle attività dei Laboratori Nazionali di Frascati dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare A cura di L.Benussi, P. Gianotti, G.Mazzitelli, C. Petrascu, B.Sciascia, E.Boscolo, G, Battimelli con il supporto del Servizio Informazione Scientifica.

3 Istituto Nazionale di Fisica Nucleare L’INFN promuove, coordina ed effettua la ricerca scientifica nel campo della fisica sub- nucleare, nucleare e astroparticellare, nonchè la ricerca e lo sviluppo tecnologico necessari alle attività in tali settori, in stretta connessione con l’Università e nel contesto della collaborazione e del confronto internazionale.

4 Le Origini dell’Istituto Nel 1937 Fermi propone al CNR la costituzione di un Istituto Nazionale di Radioattività

5 Giugno 1938: il Consiglio Nazionale delle Ricerche decide di non procedere alla costituzione dell’Istituto Nazionale di Radioattività proposto da Fermi

6 Nascita INFN Sezioni universitarie Milano, Torino, Padova, e Roma 1957 Laboratori Nazionali di Frascati Frascati

7 Laboratori del Sud (Catania) 19 Sezioni 11 Gruppi collegati 4 Laboratori Nazionali INFN oggi VIRGO-EGO E uropean G ravitational O bservatory Legnaro Gran Sasso

8 Ricerca fondamentale Studi sulla struttura intima della materia Ricerca di onde gravitazionali Elaborazione di modelli teorici Sviluppo e costruzione di rivelatori di particelle Studio e sviluppo di tecniche acceleratrici Studi di materiali e ricerche bio-mediche con luce di sincrotrone Che cosa si fa ai Laboratori Nazionali di Frascati? Sviluppo e supporto di sistemi di calcolo e reti

9 La Storia dell’Universo

10 Il metodo scientifico… Galileo è il primo ad introdurre formalmente il metodo scientifico Osservazione Ipotesi Previsione Di chi si tratta?

11 Dalton (1808) elenca, con il loro peso, diversi degli elementi che oggi conosciamo La nostra attuale idea della materia è frutto di secoli di studi... Gli studiosi dell’antica Grecia credevano che in natura ci fossero 4 elementi Com’è fatta la materia

12 Mendeleev (1869) introduce la tavola periodica La Tavola Periodica

13 L’atomo di Rutherford Vedere l’invisibile Nel1898 Thomson formulò l’ipotesi che l’atomo fosse una sorta di palla di carica positiva all’interno della quale erano distribuite le cariche negative: una sorta di modello a “panettone”Thomson “panettone” Negli anni Rutherford e i suoi colleghi per testare quest’ipotesi fecero degli esperimenti bombardando una foglia d’oro con particelle alfa

14 Osservare… L’osservazione degli oggetti “macroscopici” è un “esperimento alla Rutherford” fatto con la luce Per vedere nel mondo “microscopico” bersaglio e sonda devono avere dimensioni confrontabili

15 Osservare … La luce visibile ha lunghezze d’onda da 400 a 800 nm (10 -9 m) m Per vedere dentro gli atomi ci serve qualcos’altro!

16 Sorgenti di particelle Rutherford produceva le particelle alfa usando sorgenti radioattive. Per avere fasci di particelle di diversi tipi e di energia calibrata si costruiscono opportuni strumenti: gli acceleratori I fasci di particelle hanno origine da una sorgente. L’esempio più semplice è un filamento caldo, come quello di una lampadina Le particelle acquistano energia uguale alla loro carica moltiplicata per la differenza di potenziale applicata tra gli elettrodi  E = qV

17 L’elettro-sincrotrone di Frascati

18 L’osservazione su bersaglio La materia è vuota Ciò che non ha interagito viene perduto Limitata energia disponibile Il bersaglio è complesso. sincrotrone LINAC bersaglio     e -,e +,p … p, n, etc rivelatori

19 Un nuovo approccio: usare fasci collidenti Le particelle che non interagiscono, possono essere riutilizzate al giro successivo Le particelle circolanti possono essere sia elementari che complesse (come nuclei o atomi). Collisione nel centro di massa rivelatore Anello di Accumulazione Bruno Touschek, Frascati, 1960

20 I collisori materia-antimateria ADONE a Frascati nel 1969 DA  NE LEP al CERN di Ginevra 1988 LHC al CERN di Ginevra ha iniziato l’attività 2009 ADA a Frascati 1959

21 e+e+e+e+ e-e-e-e- ---- ++++ Un passo in piu`: Collisione di particelle e antiparticelle Un passo in piu`: Collisione di particelle e antiparticelle  +  - e-e-e-e- e+e+e+e+ E  2m e c 2 E  2m  c 2 E  2m  c 2 E = m c 2 Maggiore è l’energia, più e più particelle si possono studiare…

22 Bosone di Higgs Mediatori di Forze Z bosone W  fotone g gluone Famiglie di materia Famiglie di materia  tau   -neutrino b bottom t top III  muone   -neutrino s strange c charm II e elettrone e e-neutrino d down up uI Leptoni Quarks ? Gravità il fantasma dell’opera FermioniBosoni Il Modello Standard

23 Le forze fondamentali forzaintensità Debole10 29 Decadimenti: n  p + e  + Elettromagnetica Tiene insieme gli atomi Forte10 43 Tiene insieme i nuclei Gravitazionale1 Vi tiene seduti effetto Z bosone W  fotone g gluone molecoleatominuclei

24 DAΦNE FINUDA

25 Dalle collisioni tra elettroni e positroni può essere prodotto il mesone Φ, che decade immediatamente in altre due particelle, i Kaoni K. I due K possono essere entrambi carichi o neutri.  K K ee ee ee ee ee ee ee ee ee ee I K sono le particelle usate dagli esperimenti, FINUDA, KLOE, etc.. per i rispettivi obiettivi. La luminosità di DAΦNE, permette di produrre circa K al secondo. ee ee ee ee ee ee ee ee La fisica a DAΦNE

26 L’idea è quella di esplorare la forza forte attraverso lo studio degli atomi kaonici (in cui un K  ha sostituito un elettrone atomico). Atomi Kaonici (DEAR - Siddharta) K-K-K-K- p Idrogeno Kaonico n=25 n=2 n=1 2p  1s (K  ) X ray of interest

27 FINUDA FINUDA (Fisica Nucleare a DAΦNE) u s K  n     d u d  d u s u d Ecco come appare un evento ipernucleare all’interno del rivelatore p n p n n n n n n n n p p p p p p n n p n p  L’esperimento FINUDA studia la forza forte attraverso l’inserimento di un “corpo estraneo” all’interno del nucleo Ipernucleo

28 KLOE KLOE (K LOng Experiment) KLOE studia il rapporto tra materia e antimateria tramite i decadimenti dei Kaoni

29 DA Φ NE-Luce fotone La luce di sincrotrone è la radiazione emessa da particelle cariche che subiscono una deflessione per effetto di un campo magnetico. Si utilizza per applicazioni multi-disciplinari quali la biofisica, la fisica dello stato solido e la scienza dei materiali.

30 SPARC (Sorgente Pulsata Auto-amplificata di Radiazione Coerente) è un progetto con 4 linee principali che hanno in comune la realizzazione di una sorgente di raggi X di alta brillanza( quantità di energia emessa per unità di angolo solido ) Da prodotto “di scarto” la luce di sincrotrone è diventata un potente strumento di indagine. Pertanto viene prodotta ad hoc per svariate applicazioni 150 MeV Advanced Photo-Injector produzione di un fascio di elettroni e compressione dei pacchetti attraverso sistemi magnetici e RF; SASE-FEL Visible-VUV Experiment per lo studio dei sistemi di trasporto di fascio Monocromatore di raggi X Sorgente di raggi X

31 Radiazione-luce incoerente Radiazione-luce coerente onde monocromatiche coerenti : lunghezza d’onda λ fissa e fasi relative fissate= Tantissime sinusoidi tutte identiche sovrapposte

32 Il laboratorio LI 2 FE FLAME (Frascati Laser for Acceleration and Multidisciplinary Experiments) è una sorgente laser con una straordinaria potenza 300TeraWatt con impulsi di durata 20 fs, e una frequenza di 10Hertz. combinando i fasci di eletttroni di Sparc con il laser di potenza si produce una sorgente di raggi X monocromatici unica. Questa verrà usata per applicazioni mediche permettendo di ottenere immagini con migliore qualità utilizzando meno radiazioni. LI 2 FE è il laboratorio per attività interdisciplinari che è stato inaugurato a Frascati a dicembre 2010.

33 La forza di gravità Una distorsione nel tessuto dello spazio

34 Onde Gravitazionali: un’analogia Le onde elettromagnetiche sono prodotte da cariche elettriche in moto accelerato… Le onde gravitazionali sono prodotte da masse in moto accelerato… antenna Ciao! Come va?

35 Onde gravitazionali Le onde gravitazionali sono volte meno intense delle onde elettromagnetiche

36 Supernova nella nostra Galassia h=10  18 Supernova in Virgo h=10  21 Rumore T=300 K,  L=10  16 m Rumore T=3 K,  L=10  17 m Rumore T=300 mK   L=10  18 m Ricerca di onde gravitazionali NAUTILUS

37 Rivelatori di GW nel mondo

38 DA  NE DA  NE Upgrade Ridotte le dimensioni orizzontali e verticali dei fasci Aumentato l’angolo di incrocio orizzontale dei fasci 12mrad  25 mrad Upgrade di DAΦNE

39 Il futuro dei LNF DAΦNE sta esaurendo il suo programma scientifico, ma utilizzando le competenze e l’esperierienze maturate con questo acceleratore stiamo pensanso ad una nuova “factory” di più alta energia e luminosità. Il progetto SuperB è stato scelto dal MIUR come progetto bandiera della ricerca italiana.

40 ATLAS Auditorium ADA e ADONE OPERA DAFNE Centro di Calcolo FISA BTF DAFNE-L FINUDA SIDDHARTHA Laboratori Nazionali di Frascati, info: KLOE SPARC NAUTILUS

41 INFN-LNF Attività di divulgazione scientifica A cura del SIS Ufficio Divulgazione e Pubbliche Relazioni L’attività di divulgazione scientifica è organizzata e coadiuvata dal SIS e prevede: Stages invernali Masterclass Stages estivi-residenziali Incontri di Fisica per gli Insegnanti Visite guidate per scuole: elemetari 4-5 Medie inferiori Medie superiori Seminari divulgativi Lezioni di Fisica Iniziative estemporanee come “Notte della Ricerca”, “Open Day”, incontri speciali : Progetto Quasar

42 Backup slides

43 F16 $15M F117-A (stealth) $100M Dafne and KLOE Dafne and KLOE $150M B-1B $200M INFN/year INFN/year $280M B-2B (stealth) $2B Space shuttle: $4B Launching $400M Messina Bridge $5B NASA/year $15B ISS $40B US Defense/year $400B Quanto costa la ricerca in fisica delle alte energie?

44 Gli abitanti delle case distrutte corrono al telefono piu` vicino per chiamare i pompieri. I pompieri registrano la posizione dei telefoni e l'istante delle chiamate. Dalla posizione dei telefoni e dal tempo intercorso fra le chiamate, si ricostruisce il punto in cui e` avvenuto l'incidente e la velocita’ della tromba d’aria A B C D B A C D Una tromba d’aria distrugge le case di un villaggio. Come "vedere" le particelle subatomiche?

45 Atomi nel rivelatore una particella invisibile passando attraverso il rivelatore ne colpisce gli atomi e libera elettroni. Gli elettroni negativi sono attratti dall’elettrodo positivo piu` vicino. Il segnale prodotto e`amplificato e inviato ad un computer. Dalla posizione dell’elettrodo e dal tempo di arrivo del segnale, il computer ricostruisce il punto di passaggio della particella Elettrodo positivo I rivelatori registrano le tracce delle particelle troppo piccole per essere "viste" x Come funzionano i rivelatori di particelle?


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