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La Rivoluzione della Fisica Moderna ovvero di che cosa siamo fatti e come interagiamo con le forze dellUniverso Fabrizio Murtas

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Presentazione sul tema: "La Rivoluzione della Fisica Moderna ovvero di che cosa siamo fatti e come interagiamo con le forze dellUniverso Fabrizio Murtas"— Transcript della presentazione:

1 La Rivoluzione della Fisica Moderna ovvero di che cosa siamo fatti e come interagiamo con le forze dellUniverso Fabrizio Murtas Laboratori Nazionali di Frascati Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Frascati

2 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN Il Modello Antico AriaTerraAcquaFuoco Costituenti materialiForze Sin dallantichità lumanità ha cercato di capire quali fossero i costituenti fondamentali delluniverso

3 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN Atomi Dopo circa 2000 anni (1900 dC), questa era la visione della materia Lorganizzazione di tutti i tipi di atomi in una Tabella Periodica è di fatto il suggerimento che esiste una struttura più semplice che ne governa la regolarità.

4 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN Nel 1897 Thompson scopre lelettrone Se lelettrone è carico negativamente questo implica –Latomo non è elementare, –Ci deve anche essere una carica positiva. Rutherford: il primo fisico delle alte energie elettroni carica positiva distribuita Struttura dellatomo La struttura della materia puo essere indagata con fasci di particelle

5 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN Fine 800 Latomo Dagli atomi ….. Inizio 900 Il modello atomico planetario Atomo Tutta la materia e composta di : Elettroni Protoni Neutroni Tutto il resto è vuoto !!!

6 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN Solo 3 particelle elementari ? Grazie a nuovi acceleratori ed a rivelatori di particelle come la Camera a bolle, il numero di particelle elementari alla fine degli anni 50 era notevolmente aumentato K-K- K0K0 K+K+ e p n e K0K0 Dovè lordine ?

7 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN Nuova regolarità Nel 1961 Gell-Mann & Neeman fecero per le particelle fondamentali cio che Mendeleev aveva fatto 100 anni prima per gli atomi fondamentali. np - 0 K0K0 K+K+ K-K- K0K0 S = +1 S = 0S = 0 S = -1 S = 0S = 0 S = -2 S = -3 Q = +1 Q = -1 Q = 0Q = 0 Q = 0Q = 0 Q = +1 Q = +2 Ci deve essere una struttura sottostante

8 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN Fine 800 Latomo Dagli atomi ai quark Inizio 900 Il modello atomico planetario Anni 30 La struttura del nucleo atomico (protone e neutrone) Anni 60 La struttura subnucleare a quark AtomoProtone … il protone ed il neutrone non sono elementari !!!

9 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN I Quarks Protone Q= +2/3 +2/3 -1/3 = 1 uu d ud d I quarks hanno carica frazionaria ! Neutrone Q= +2/3 -1/3 -1/3 = 0 Quark up Q = +2/3 Quark down Q = -1/3 us d Particella strana Q = +2/3 -1/3 -1/3 = 0

10 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN La scoperta dellantimateria 10 Nel 1932 il fisico americano Anderson, studiando i raggi cosmici, scoprì una particella che si comportava esattamente come un elettrone, ma con carica elettrica positiva. Carl David Anderson (1905 – 1991) Dopo la scoperta si riuscì anche a produrli in laboratorio bombardando piastre metalliche con fotoni di energia h > 1 MeV. Questo perchè,entrando in collisione con i nuclei, i fotoni sparivano e davano vita a coppie e + e. Essendo la massa dellelettrone 0,5 MeV/ c 2 il fenomeno si verifica solo sopra la soglia. e+e+ spin + 1/2 Si cominciò quindi a pensare che anche il protone e il neutrone potessero avere unantiparticella. Grazie alla costruzione dei primi moderni acceleratori di particelle nel 1955 fu scoperto lantiprotone da Emilio Segrè e Owen Chamberlain, e nel 1956 lantineutrone da Bruce Cork.

11 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN Collisione materia antimateriamuoneantimuone E = m c 2 antielettroneelettrone

12 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN AdA: Anello di Accumulazione F r a s c a t i 1961 Il prototipo dei collisori materia-antimateria 1 m Bruno Touschek

13 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN e+e+e+e+ e-e-e-e- - + Materia e Antimateria Con i collisori si raggiungono energie molto elevate con possibilità di studiare asimmetrie tra materia e antimateria. + - e-e-e-e- e+e+e+e+ E = 2m e c 2 E = 2m c 2

14 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN I discendenti di AdA nel mondo Quark s Quark b I collisori elettroni - antielettroni ADONE LEP al Cern DAFNE DCI ACO ADONE VEPP 2 DAFNE ADONE II BEPC SPEAR VEPP 4 CESR KEK B DORIS PEPII PETRA PEP LEP I LEP II

15 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN 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 Costituenti materiali … ma da cosa è composta la materia …. ovvero la materia è composta da 12 fermioni suddivisi in tre famiglie La Materia stabile

16 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN Le famiglie si parlano c charm strange s t top b bottom d down u up Se così fosse avremmo un Universo composto da particelle appartenenti a tutte e tre le famiglie... Universo estremamente complicato ! Interazione debole dei fermioni Questa rotazione e descritta dalla matrice di Cabibbo-Kobayashi-Maskawa Le particelle dotate di Top e Charm hanno una vita media più piccola rispetto alle particelle dotate di Bottom e Strange. Misurando i decadimenti queste particelle di fatto misuriamo gli angoli di questa rotazione (il primo fù langolo di Cabibbo)

17 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN … ma quante famiglie ci sono ? Massa Z (=E/c 2 ) Numero di decadimenti Z Larghezza ( E) dello Z Solo tre famiglie Misura di alta precisione fatta al CERN con il collisore LEP

18 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN neutrino muone c charm strange s.. t top tau neutrino b bottom e elettrone e neutrino e d down u up. I Fermioni : le masse 1 Gev protone QUARKSQUARKS LEPTONILEPTONI

19 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN neutrino muone c charm strange s t top tau neutrino b bottom e elettrone e neutrino e d down u up I Fermioni : la carica elettromagnetica 1 carica dellelettrone (o protone) + 2/3 - 1/ /3 - 1/ / /3 QUARKSQUARKS LEPTONILEPTONI

20 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN Anti-materia : tutte le cariche opposte ! QUARKSQUARKS LEPTONILEPTONI e+e+ positrone u up d down e neutrino e muone c charm strange s neutrino tau b bottom neutrino t top - 2/3 + 1/ /3 + 1/ / /3

21 … e le forze ?

22 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN Le forze fondamentali ForzaIntensità relativa Gravitazionale1 Debole10 29 Elettromagnetica10 40 Forte10 43 Vi tiene seduti sulle sedie Decadimenti radioattivi Tiene insieme elettroni e protoni Tiene insieme i nuclei Ciascuna forza, ha una particella associata ad essa, un bosone di gauge, che permette alla forza di agire a distanza. Ad esempio per la forza elettromagnetica la teoria è lelettrodinamica quantistica QED e il bosone di gauge è il fotone.

23 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN I Bosoni: le masse g gluone fotone Z bosone W GeV91.2 GeV 1 GeV protone

24 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN Materia e campi di Forza Vediamo ora come interagiscono le particelle di materia (o antimateria) tempo Gli elettroni si scambiano un bosone: il fotone (il mediatore di forza ). e-e- e-e- e-e- e-e- Questi diagrammi non sono soltanto rappresentazioni grafiche ma autentiche formule matematiche che ci permettono di calcolare lintensità dellinterazione. Grafici di Feynman

25 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN Scoperta del neutrino Nel 1896 Bequerel scopre la radioattività naturale: alcuni materiali come lUranio o il Radio producono raggi, o. Nel 1930 Pauli fa lipotesi che insieme allemissione di vengano emesse particelle neutre di massa molto piccola : i neutrini. n uu d Con il modello a quark... eventi energia di e - m 0 p e-e- ud d e-e-

26 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN Il bosone W Ma come avviene linterazione debole ? tempo W u u d e d e Il bosone W interagendo con il fermione ne cambia il sapore La costante di accoppiamento del fermione al W è molto vicina ad della QED. Quello che rende debole linterazione è il fatto che il bosone W ha una massa molto elevata (probabilità più bassa di emissione)

27 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN Interazioni del neutrino neutrone W e e du u d u d protone La sezione durto che si ricava da questo diagramma di Feynmann e di cm 2 Esperimento CHORUS al CERN Diametro dellatomo cm Diametro del nucleo cm Quindi i neutrini interagiscono pochissimo con la materia !

28 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN Lunga vita al sole Grazie alla forza debole la combustione dellidrogeno in elio e sufficientemente lenta da dare al sole una vita di 10 Miliardi di anni Si potrebbe dire che lo sviluppo delle forme di vita nelluniverso e possibile grazie allesistenza della forza debole. protoneneutrone

29 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN Esperimento ALEPH Piccoli Big Bang al Lep e + e - e + e - + -

30 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN Cromo Dinamica Quantisitca Dato il grande successo della QED, negli anni 70 si sviluppò una teoria quantistica delle interazioni forti che venne chiamata Cromo Dinamica Quantisitca (QCD). Questa teoria include un nuovo bosone di gauge chiamato gluone. La carica delle interazioni forti è chiamata colore, e ciascun quark ha tre possibili valori di colore: rosso verde e blu. Questo tipo di interazione è mediata da un gluone. La particella così composta (barione) risulta bianca Quark verde Quark rosso Gluone rosso-antiverde La particella così composta (mesone) risulta bianca Quark anti-verde Quark verde

31 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN Perchè non si vedono i Quark ? La forza forte fra i quarks decresce con il decrescere della distanza (libertà asintotica) e aumenta alle grandi distanze Questo e ciò che succede quando si cerca di estrarre un quark da un barione : LEnergia nel campo aumenta fino a... raggingere E=Mc 2 (M=m+m) per produrre una coppia di quark e anti-quark Un quark rimarrà nel barione, mentre lantiquark si unirà al quark strappato per formare un mesone protone mesone

32 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN Evidenza della QCD La QCD mi dice che non posso vedere dei quark liberi. Quindi, cosa succede se provo a far scontrare due protoni ad energie sempre più elevate? s p p s p p Ma i gluoni possono interagire tra di loro in quanto anche loro sono colorati !!

33 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN e + e - q q e + e - q q g Creazione di quarks al LEP 1 cm

34 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN Z bosone W fotone g gluone e e d down u up elettrone e-neutrino muone -neutrino s strange c charm -neutrino tau b bottom t top e e d down u up elettrone e-neutrino muone -neutrino s strange c charm -neutrino tau b bottom t top MateriaForze Contributo dellINFN Adone a Frascati 1974 Gamma Gamma2

35 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN Z bosone W fotone g gluone e e d down u up elettrone e-neutrino muone -neutrino s strange c charm -neutrino tau b bottom t top Esperimento UA1 al collisore protone-antiprotone del CERN di Ginevra C. Rubbia Z bosone W fotone g gluone MateriaForze Evento con Z° Contributo dellINFN

36 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN 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 ? Costituenti materiali Forze Il Modello Standard

37 …e lantimateria ? perche è scomparsa dopo il Big Bang ?

38 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN DAFNE Asimmetria tra materia e antimateria studiata a Kloe e Dafne a Frascati

39 … perchè le particelle hanno massa ?

40 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN Higgs e la massa dei fermioni Supponiamo di avere un campo di Higgs e facciamoci correre sopra tre particelle.... Tanto più grande è laccoppiamento tra il campo di Higgs e la particella, tanto più grande è la massa ad essa associata ! Ma come fa il campo di Higgs a fornire la massa alle particelle ?.. Raggio di azione Se volete altri esempi

41 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN Esiste la particella di Higgs ? Questo eccesso di eventi ad alta energia ha fatto pensare ad un primo segnale dellesistenza della particella di Higgs 7 anni fa. Significanza statistica di solo 3.9 sigma, compatibile con un SM Higgs di circa 114 GeV/c2. Questo segnale lo ha visto solo uno dei quattro esperimenti ! Aleph Quindi bisogna aspettare qualche anno … Voi siete qui Esperimento Atlas

42 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN LHC e il Big Bang …. alla ricerca del bosone di HIGGS per spigare la massa

43 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN Storia delluniverso

44 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN Il Big Bang 0 secondi Era della grande unificazione sec Linflazione spazio- temporale cessa Si rompe la Grande Unificazione e si distinguono forza forte ed elettrodebole Era elettrodebole 1 miliardesimo di sec Le forze elettrodeboli si distinguono Era dei protoni 1 millesimo di sec I Quark si combinano per formare Protoni e Neutroni Era dei Nuclei 100 sec I Protoni e Neutroni si combinano per formare i nuclei di elio Era della luce e degli atomi anni Luniverso diventa trasparente e si riempie di luce Formazione delle Galassie 1 Miliardo di anni

45 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN LHC al CERN di Ginevra ALICE LHC-B CMS ATLAS Apparato Atlas a LHC Evento simulato di collisione protone-protone Evento simulato di collisione piombo-piombo

46 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN Esperimento ATLAS al CERN 2007

47 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN Esperimento CMS al CERN 2007

48 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN Esperimento CMS al CERN 2007

49 …i collisori costano troppo … osserviamo i raggi cosmici !

50 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN Laboratori sotterranei Evento raro

51 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN Laboratori sotterranei del Gran Sasso

52 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN Neutrini da supernove Osservatorio LVD al Gran Sasso

53 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN Gallex al GranSasso Oscillazione di Neutrini I neutrini si trasformano durante il lungo viaggio

54 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN e e d down u up elettrone e-neutrino muone -neutrino s strange c charm -neutrino tau b bottom t top Matrice di mescolamento dei neutrini Milioni di neutrini al secondo attraverso un granello di sabbia Oscillazione di neutrini Z bosone W fotone g gluone e e d down u up elettrone e-neutrino muone -neutrino s strange c charm -neutrino tau b bottom t top e e d down u up elettrone e-neutrino muone -neutrino s strange c charm -neutrino tau b bottom t top e e d down u up elettrone e-neutrino muone -neutrino s strange c charm -neutrino tau b bottom t top e e d down u up elettrone e-neutrino muone -neutrino s strange c charm -neutrino tau b bottom t top e e d down u up elettrone e-neutrino muone -neutrino s strange c charm -neutrino tau b bottom t top e e d down u up elettrone e-neutrino muone -neutrino s strange c charm -neutrino tau b bottom t top e e d down u up elettrone e-neutrino muone -neutrino s strange c charm -neutrino tau b bottom t top e e d down u up elettrone e-neutrino muone -neutrino s strange c charm -neutrino tau b bottom t top

55 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN Neutrini dal CERN al Gran Sasso Opera : camera a emulsioni fotografiche Icarus : camera a immagine in Argon liquido neutrini prodotti con acceleratori

56 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN Progetto Antares e R&D Nemo

57 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN Ieri Domani Ricerca di antimateria : AMS Italia, Cina, Germania, Finlandia, Francia, Svizzera, Taiwan, USA

58 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN 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 Gravità il fantasma dellopera dellopera Costituenti materialiForze La gravità

59 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN Antenna Gravitazionale a Frascati Per rivelare onde gravitazionali emesse da supernove allinterno della nostra galassia è necessario raffreddare a pochi millikelvin (~ -273 gradi) grandi cilindri metallici

60 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN Antenne gravitazionali Barre risonanti INFN Auriga a Legnaro Explorer al CERN Nautilus a Frascati

61 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN 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 ? Costituenti materialiForze Particelle supersimmetriche ? Gravitone ? Il Modello Standard

62 … ma ci serve a qualche cosa tutto questo?

63 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN Ricadute tecnologiche : Il WWW 1990 : nasce il WWW al CERN La biblioteca mondiale

64 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN La GRID Potenza di calcolo distribuita Metereologia Elaborazione di immagini da satellite

65 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN Immagini del cervello Ricadute sulla fisica medica : la PET Collaborazioni INFN -Policlinico di Tor Vergata

66 F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN Bibliografia QED Richard Feynmann Ed. ADELPHI Il senso delle cose, Sta scherzando Mr. Feynman! Richard Feynmann, Ed. ADELPHI La Fisica delle Particelle Luciano Maiani Le Scienze Quaderni n° 103 Settembre 1998 Quarks & Leptons: an intrductory Course in Modern Particle Physics F. Halzen A.D. Martin Ed Wiley Le Scienze Edizione italiana dello Scientific American Cultura Scientifica Modello Standard Trent'anni che sconvolsero la fisica. la storia della teoria dei quanti Gamow George, Zanichelli 1966


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