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Claudio Luci Sapienza Università di Roma e INFN sezione di Roma1 Che cosa è il bosone di Higgs appena scoperto al CERN Ascoli Piceno 17 novembre 2012 1.

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1 Claudio Luci Sapienza Università di Roma e INFN sezione di Roma1 Che cosa è il bosone di Higgs appena scoperto al CERN Ascoli Piceno 17 novembre

2 Lorigine del nome (errato) 2 Libro scritto nel 1993, è una sorta di autobiografia di Lederman Titolo originale: The goddamn particle (La particella dannata). Leditore lo ha cambiato in: The God particle.

3 La ricerca dellatomo di Democrito Le interazioni fondamentali I raggi cosmici e lo zoo delle particelle elementari quark e leptoni Le teorie di gauge Il Modello Standard ed il meccanismo di Higgs La ricerca del Bosone di Higgs Il CERN, LHC, ATLAS Trovato (?) Indice 3

4 Quali sono i costituenti elementari della materia? Quali sono le forze che controllano il loro comportamento al livello fondamentale? 4

5 Di cosa sono fatte le cose: dal complesso al semplice Partendo dagli stessi componenti elementari: Tutti gli edifici sono fatti di: mattoni, cemento, sabbia, acqua, ferro, legno mattonicementosabbia e acquaferrolegno Si può avere Tufo 5

6 Dal complesso al semplice E di cosa sono fatti i mattoni, il cemento, la sabbia, lacqua, il ferro, il legno? Democrito ipotizzò che il mattone elementare comune a tutte le cose fosse latomo (indivisibile). I filosofi greci (Empedocle) ipotizzarono che tutte le cose fossero formate da quattro elementi: acqua, terra, fuoco e aria.

7 I chimici: scoperta degli atomi Boyle( ); Gay-Lussac ( ) : studio delle proprietà dei gas Proust ( ): proporzioni costanti Lavoisier ( ): conservazione della massa Dalton( ): pesa gli atomi Avogadro( ): molecole Dalton, eseguendo degli esperimenti su delle reazioni chimiche, ed utilizzando i risultati precedenti di altri ricercatori, formula la teoria seguente: La materia è formata da particelle indivisibili e indistruttibili: gli atomi Atomi di elementi diversi sono diversi tra loro e hanno masse diverse I composti sono sostanze pure formate da due o più atomi diversi che si combinano secondo un rapporto definito Avogadro: le reazioni chimiche avvengono tra molecole e non tra atomi. (La molecola è la più piccola aggregazione di atomi di una stessa sostanza). 7

8 Mendeleyev ( ) Tutte le sostanze possono essere descritte in termini di diverse composizioni di soli 105 atomi. A intervalli regolari si presentano elementi con proprietà chimiche analoghe 8 N.B. NON SONO GLI ATOMI DI DEMOCRITO ``QUESTI `` ATOMI SONO OGGETTI COMPOSTI DA ALTRE PARTICELLE. LA RICERCA DEGLI ATOMI DI DEMOCRITO CONTINUA

9 Latomo di Rutherford elettrone nucleo Il nucleo è costituito da protoni e neutroni. Essi sono tenuti insieme dalla forza nucleare forte. [Protoni e neutroni sono formati da quark (scoperti negli anni 60).] Problema: latomo di Rutherford spiega la diffusione delle particelle α, però è instabile. Non può esistere. Soluzione: meccanica quantistica (1927). Tutta la massa dellatomo è concentrata nel nucleo con gli elettroni che ruotano intorno ad esso legati dalla forza elettromagnetica. Dimensioni dellatomo ~ m Dimensioni del nucleo ~ m Gli atomi si distinguono tra loro dal numero di protoni che possiedono La materia è composta da elettroni, protoni e neutroni 9

10 E le forze? 10

11 Alcune forze 11 forza di gravità forza di attrito tensione della corda reazione vincolare normale ancora: forza elastica (molla) ``forza adesiva (colla) forza elettrostatica forza magnetica (calamita) …. e molte altre MA QUANTE SONO?

12 Newton: prima unificazione 12 Forza gravitazionale [ N.B. m è la massa (gravitazionale) di un corpo] Problema: interazione a distanza

13 Seconda unificazione: Maxwell 13 Predizione delle onde elettromagnetiche, rivelate poi da Hertz Forza magnetostatica Luce Equazioni di Maxwell (inserimento della corrente di spostamento) Forza elettromagnetica Problema: necessità delletere per la propagazione delle onde e.m. Forza elettrostatica N.B. tutte le forze di contatto e le reazioni chimiche sono manistazioni delle forza elettromagnetica.

14 Torniamo al nucleo: forza forte Il nucleo deve avere tanti protoni quanti sono gli elettroni Il nucleo contiene la massa di tutto latomo (m p =1836 m e) Rutherford scopre il protone (1919) NON VA BENE! Il nucleo sarebbe troppo leggero. La massa dei protoni è circa la metà della massa dellatomo Deve esserci qualcosaltro dentro il nucleo IPOTESI: particella simile al protone ma senza carica: il neutrone. 1932: scoperta del neutrone (Chadwick). Il nucleo è composto da protoni e neutroni. DOMANDA: che cosa tiene insieme i protoni dentro il nucleo? La forza elettrostatica respinge i protoni uno dallaltro. RISPOSTA: forza forte. 14

15 Unaltra forza: forza debole 1896: scoperta della radioattività naturale Il decadimento beta trasforma un elemento in un altro 15 I raggi beta sono elettroni (interazione debole) I raggi gamma sono fotoni (interazione e.m.) I raggi alpha sono nuclei di elio (interazione forte) (in presenza di un campo megnetico)

16 Decadimento β: il sogno di Cagliostro β) Un nucleo si trasforma in un altro emettendo un elettrone (radiazione β) Problema: non si conserva lenergia, la quantità di moto e il momento angolare. Soluzione: W.Pauli ipotizzò che unaltra particella neutra, senza massa, venisse emessa insieme con lelettrone (1930). β E.Fermi : formulò teoria del decadimento β e chiamò la nuova particella neutrino. Il fenomeno elementare è il decadimento del neutrone. La forza responsabile del decadimento è la forza debole. 16

17 Problema: interazioni a distanza Soluzione: avvengono tramite lo scambio di una particella mediatrice Le particelle di materia interagiscono a distanza scambiandosi una particella mediatrice della forza La teoria (quantistica) che descrive le interazioni tra particelle deve tener conto dello scambio di questa particella.

18 Interazione elettromagnetica Il mediatore è il fotone (quanto del campo elettromagnetico). Il fotone ha massa nulla, quindi il raggio di azione della forza e.m. è infinito N.B. risolto il problema delletere. Le onde elettromagnetiche sono costituite da fotoni, i quali possono propagarsi tranquillamente anche nello spazio vuoto (anzi, seguendo Democrito, si propagano SOLTANTO nello spazio vuoto).

19 Dove eravamo nel ~1935? Gli atomi sono formati da tre particelle elementari: elettrone, protone e neutrone. Ipotesi del neutrino (rivelato sperimentalmente nel 1954) Vi sono 4 forze fondamentali tramite le quali le particelle interagiscono: - forza forte: agisce sui nucleoni (adroni). Range ~ m - forza e.m.: agisce sulle particelle cariche. Range infinito. - forza gravitazionale: agisce su tutte le particelle. Range infinito. - forza debole: agisce su tutte le particelle. Range ~ m Scoperta del positrone (anti-elettrone) nel 1932, ipotizzato da Dirac nel Scoperta del mesotrone, particella prevista da Yukawa nella teoria della forza forte. AVEVAMO CAPITO TUTTO (O QUASI!) 19

20 I raggi cosmici Furono scoperti da V.Hesse nel Sono costituiti da 86% protoni, 12% α ed il restante 2% da altri nuclei. Scoperta del positrone (1932) Scoperta del mesotrone (1937) identificato poi da Conversi, Pancini e Piccioni nel 1947 essere in realtà il muone, una replica pesante dellelettrone e Scoperta del π nel 1947, seguita dalla scoperta di particelle strane, qualcuna più pesante del protone. Studiare i raggi cosmici era difficile: esperimenti in alta quota, flusso ed energia non controllati. Si volle riprodurre allora linterazione primaria in laboratorio accelerando protoni (o elettroni) e facendoli collidere con dei bersagli fissi. 20

21 Facciamo una pausa 21

22 I fisici e la montagna Edoardo Amaldi a Campo Imperatore (1926) Amaldi (1927) Tessera del CAI di Amaldi 22 Amaldi è uno dei ragazzi di Fermi ed è il ``padre del CERN e dellINFN

23 I fisici e la montagna Assicurato dallalto dai fratelli Salvadori, Edoardo Amaldi in arrampicata (Dolomiti di Cortina dAmpezzo, agosto 1927) Edoardo Amaldi e Enrico Ciaranfi sulla cengia della via Chiaraviglio al Corno Piccolo del Gran Sasso, settembre 1927 Enrico Persico sugli sci. Di lui si diceva scherzo- samente che avesse inventato lo "sci adiabatico", per la lentez- za con cui riusciva a scen- dere da qualunque pendio. 23

24 I fisici e la montagna Enrico Fermi fa del "bouldering" sotto lo sguardo critico di Edoardo Amaldi e Enrico Persico. Estate 1938, ultime vacanze in gruppo prima della promulgazione delle leggi razziali, a San Martino di Castrozza Edoardo Amaldi, Gilberto Bernardini e Ettore Pancini al laboratorio della Testa Grigia, al Plateau Rosa sopra Cervinia. 24

25 Torniamo a lavorare 25

26 Come si creano nuove particelle Quando due particelle elementari (elettrone, protone, pione, etc…) urtano tra di loro ed hanno energia sufficiente, possono produrre nuove particelle che prima dellurto non esistevano. E = mc 2 Esempio: p + n p + p + π - (il neutrone si trasforma in un protone ed un pione negativo) N.B. Nellurto vanno rispettate alcune leggi di conservazione: energia, carica, momento angolare, numero barionico, numero leptonico, parità, etc… 26

27 Acceleratori: principio di funzionamento Campo elettrico: accelera. Campo magnetico: curva Unita di misura energia: eV Raggio di ciclotrone Primo ciclotrone costruito da E.Lawrence a Berkeley nel Particelle α decadimenti radioattivi: 1÷5 MeV : ciclotrone 1.5 m di diametro: 19 MeV. -Massima energia di un ciclotrone: 25 MeV - Prossimo passo: sincrotrone 27

28 E luomo creò i raggi cosmici 1952: BNL (Brookhaven National Laboratory, Long Island), COSMOTRONE Protoni da 3 GeV Ton. di ferro. 20 m di diametro. Conferma la produzione associata delle particelle strane. 1954: LBL (Lawrence-Berkeley Laboratory, California), BEVATRONE Protoni da 6 GeV Ton. di ferro. E. Segrè scopre lantiprotone (premio Nobel nel 1959). 1957: Dubna, SINCROFASATRONONE. 10 GeV, Ton. di ferro! Per andare ad energie più alte occorreva unidea per ridurre la quantità di ferro dei magneti. Livingston inventa il focheggiamento forte (1952). 28

29 Il CERN entra in gioco 1959: CERN, ProtoSincrotrone PS, 24 GeV, 3200 Ton., diametro 200 m 1960: BNL, AGS, 33 GeV, 4000 Ton., diametro 257 m Inizia il boom economico anche per la fisica delle particelle. Dapprima nei raggi cosmici, e poi con i nuovi acceleratori, vengono scoperte molte nuove particelle, troppe. Cè molto lavoro anche per i fisici teorici. E.Fermi ad un suo studente (L.Lederman): ragazzo, se fossi in grado di ricordare il nome di tutte queste particelle, sarei diventato un botanico. La prima risonanza scoperta da Fermi nel 1953 a Chicago, la Δ, suggerisce che il protone potrebbe non essere una particella fondamentale 29 Il CERN è il laboratorio europeo per la fisica delle particelle fondato nel 1954, vicino Ginevra, grazie anche ad Edoardo Amaldi.

30 E vennero... i quark! Per mettere ordine nello zoo di particelle, Gell-Mann e Neeman, proposero uno schema di classificazione basato su delle simmetrie (SU(3)), che chiamarono : la via dellottetto. La via dellottetto prevedeva una nuova particella (1962), Ω -, scoperta nel Per spiegare la simmetria, Gell-Mann e Zweig, ipotizzarono che le particelle soggette allinterazione forte fossero composte da particelle elementari. Gell-Mann chiamò le nuove particelle: quark. Three quarks for Muster Mark – James Joices Finnegans Wake quarkcaricastranezza up+2/3 e0 down-1/3 e0 strange-1/3 e I quark sono oggetti molto bizzarri con carica frazionaria. Cera molta riluttanza nellaccettarli. Barioni: 3 quark Mesoni: un quark ed un antiquark n p 30

31 Gli atomi di Democrito (Visto!) 31

32 Torniamo alla Teoria 32

33 Cosa deve fare la ``teoria? deve calcolare sezioni durto, cioè la probabilità che in un urto tra due particelle si abbia un dato stato finale deve calcolare larghezze parziali, cioè la probabilità che una particella decada in un dato stato finale. 33 Dato che al massimo la probabilità può essere uno (certezza assoluta), se un calcolo da come risultato della probabilità un numero maggiore di uno, vuol dire che la teoria è sbagliata (violazione dellunitarietà) N.B. se le predizioni teoriche non sono in accordo con le misure sperimentali, la teoria non è corretta.

34 Invarianza di gauge In m.q. lo stato di un sistema è descritto da una funzione donda : il modulo quadro della funzione donda esprime la probabilità di trovare il sistema in un certo stato La probabilità non cambia se moltiplico la funzione donda per un ``fattore di fase `` (invarianza di gauge) Quando si ``costruisce una nuova teoria, occorre rispettare linvarianza di gauge (e di tutte le altre simmetrie della natura). 34

35 Elettrodinamica quantistica (QED) Nel 1947 Feynman, Schwinger e Tomonaga risolvono il problema degli infiniti nella QED. Si dice che la teoria diventa rinormalizzabile. La teoria deve essere invariante per una trasformazione di gauge locale. Per fare ciò si deve introdurre una derivata covariante ed un bosone di gauge (il fotone), che diventa il mediatore dellinterazione elettromagnetica. Linterazione tra il fotone e lelettrone viene incorporata nella teoria in maniera automatica. 35 Si cerca di applicare la stessa tecnica dellinvarianza di gauge alle interazioni forti e alle interazioni deboli, ma con maggiore difficoltà

36 Unificazione elettrodebole La teoria di Fermi delle interazioni deboli va bene a basse energie, ma ad alte energie ``diverge. Per risolvere il problema si cercò di unificare le interazioni deboli con la forza elettromagnetica. Nel 1961 Glashow, nella sua tesi di dottorato, propose un modello basato sulla simmetria di gauge locale: Il modello prevede lesistenza di 4 bosoni di gauge: W +, W - e Z per le interazioni deboli ed il fotone per linterazione elettromagnetica. Benissimo. 36 E invece malissimo. Il modello funziona solo se tutte le particelle, fermioni e bosoni di gauge, hanno massa nulla, altrimenti si rompe la simmetria di gauge.

37 Non si riesce a trovare il modo di dare massa alle particelle senza violare la simmetria di gauge 37

38 Meccanismo di Higgs Finché nel 1964 arrivano i nostri: Brout-Englert, Higgs e Guralnik-Hagen-Kibble Pubblicano dei lavori sulla rottura spontanea di una simmetria continua, invariante per una trasformazione di gauge locale (teorema di Goldstone più bosoni di gauge) 38 La Lagrangiana è simmetrica, ma la scelta di un qualsiasi stato fondamentale rompe la simmetria. N.B. Dalla Lagrangiana si ricavano le equazioni del moto

39 Arriva Weinberg: il Modello Standard Nel 1967 Weinberg applica il meccanismo di Higgs alla teoria elettrodebole di Glashow e … … avviene il miracolo. I fermioni (cioè i costituenti della materia) ed i bosoni di gauge (cioè i mediatori delle intera- zioni deboli più il fotone) acquistano massa (il fotone rimane senza massa) e la teoria non rompe linvarianza di gauge. Però … rimane un problema. Lapplicazione di questo meccanismo prevede lesistenza di una particella neutra a spin 0, la cui massa non è prevista: il bosone di Higgs 39 Inizia la caccia ai bosoni W, Z e H

40 Lagrangiana elettrodebole invariante per trasformazione di gauge: Aggiungiamo alla Lagrangiana quattro campi scalari reali φ i per dare massa ai bosoni di gauge tramite il meccanismo della rottura spontanea della simmetria. Aggiungiamo alla Lagrangiana uninterazione tra i fermioni ed il campo φ per dare massa ai fermioni: 40 Lagrangiana elettrodebole completa Che cosa è questo campo φ ? BOH!

41 Il Nobel di Rubbia Nel 1976 entrò in funzione al CERN lSPS, un acceleratore di protoni da 400 GeV, 2 km di diametro. Lenergia non era però sufficiente per produrre W e Z, la cui massa stimata era di 80÷90 GeV. Lidea di Rubbia fu di trasformare lSPS in un Collisore protone-antiprotone, seguendo quanto era stato fatto a Frascati con Adone, il collisore e + e - dove particella e antiparticella girano nello stesso anello in senso contrario. Il problema era avere un numero sufficiente di antiprotoni idonei da far collidere con i protoni (risolto da S.van der Meer con il raffreddamento stocastico). Nel 1978 parte il progetto SppS ( GeV). - Nel 1983 furono prodotti i primi W e Z rivelati nei detector UA1 (Rubbia) e UA : premio Nobel a Rubbia e van der Meer

42 LHC Le ricerche di Lep, un collider e + e -, concluse nel 2000, hanno messo un limite inferiore alla massa del bosone di Higgs (114 GeV). Nel dicembre 1994 il CERN approva ufficialmente la costruzione di LHC (Large Hadron Collider). Si tratta di un collisore protone-protone con magneti superconduttori di 8 T, da istallare nel tunnel del LEP. Obiettivo principale di LHC: scoperta del bosone di Higgs. LHC è entrato in funzione a dicembre Nel 2010 e 2011 ha funzionato con unenergia del centro di massa di 7 TeV (quella di progetto è di 14 TeV). I fasci di protoni si incrociano con una frequenza di 40 MHz (ogni 25 ns). Sul collisore vi sono due esperimenti principali (ATLAS e CMS), più due esperimenti ``specializzati (LHCb e ALICE) ed altri due ``piccoli esperimenti (TOTEM e LHCf). LHC è stata una sfida tecnologica a tutti i livelli, pari al progetto Manhattan o allo sbarco sulla Luna, ma con mezzi e organizzazione completamente diversi. 42

43 LHC: vista aerea 9 km LHC SPS Lake of Geneva Jura Francia Svizzera CERN aereoporto Alice ATLAS CMS LHCb

44 I dipoli di LHC Le bobine superconduttrici sono raffreddate a 1.9 K (la radiazione di fondo cosmica è a 2.7 K). LHC è il punto più freddo delluniverso dipoli principali 14.3 m di lunghezza ognuno 8.33 Tesla (max nel ferro 2 T) 11.7 kA (bobina superconduttrice) 44

45 Dipoli di LHC nel tunnel 45

46 ATLAS 25 m 46 m Nellesperimento ATLAS lavorano circa 3500 fisici di tutto il mondo. Precisione meccanica nella costruzione e allineamento delle camere a muoni: 20 μm! 46

47 ATLAS: fotomontaggio 47

48 Bosone di Higgs: trovato? 48 Ad una massa di 125 GeV cè un eccesso di eventi spiegabili con la creazione di una nuova particella, forse il bosone di Higgs.

49 Il bosone di Higgs spiegato da D. Miller Per questa spiegazione Miller ha vinto una bottiglia di champagne offerta da Lord Waldegrave (ministro della Scienza Britannico nel 1993). Una celebrità entra in una stanza e tutti gli vanno intorno per parlargli, in modo tale che lui ha difficoltà a muoversi (acquista massa) 49 Campo di Higgs

50 Il bosone di Higgs spiegato da D. Miller A volte nella stanza (campo di Higgs) non entra nessuno, ma si diffonde un pettegolezzo Un pò di gente può raggrupparsi per discutere del pettegolezzo. Questo è lequivalente del bosone di Higgs che acquista massa grazie allo stesso meccanismo. 50 Bosone di Higgs

51 Conclusioni I costituenti fondamentali della materia sono i leptoni e i quark! Le interazioni fondamentali sono 4: forte, e.m., debole e gravitazionale. Linterazione e.m e linterazione debole sono descritte dalla medesima teoria, il Modello Standard (le interazioni forti sono descritte dalla QCD). Altre domande ancora senza risposte, ad esempio: - luguaglianza della carica elettrica del protone e dellelettrone, - perché esistono tre famiglie di particelle - perché vi è una netta separazione tra fermioni e bosoni - dove è finita lantimateria Abbiamo (forse) trovato il bosone di Higgs, quindi il meccanismo di Higgs è corretto. (Servono più dati per misurare le proprietà della nuova particella) Non sappiamo ancora cosa sia questo campo di Higgs che permea tutto luniverso. Abbiamo un altro etere? 51

52 GRAZIE A TUTTI 52 … e spero di non avervi annoiato troppo


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