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Grandi scoperte della Fisica delle Particelle Elementari Andrea Ventura Università del Salento & INFN Lecce 1 marzo 2013.

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Presentazione sul tema: "Grandi scoperte della Fisica delle Particelle Elementari Andrea Ventura Università del Salento & INFN Lecce 1 marzo 2013."— Transcript della presentazione:

1 Grandi scoperte della Fisica delle Particelle Elementari Andrea Ventura Università del Salento & INFN Lecce 1 marzo 2013

2 Gallipoli, 1 marzo 2013A. Ventura 2 Modello planetario dellatomo 1911 E. Rutherford bombardò una sottile lamina di oro con particelle positive, costituite da atomi di elio privati dei due elettroni. Tali raggi attraversavano la lamina senza quasi mai esserne disturbati, salvo un ~1 % che veniva deviato, anche in modo notevole o addirittura, completamente respinto atomo nucleo elettroniRutherford propose un modello di atomo con quasi tutta la massa concentrata in un nucleo molto piccolo carico positivamente e gli elettroni che vi ruotano attorno

3 Gallipoli, 1 marzo 2013A. Ventura 3 Modello atomico di Bohr Il modello di Rutherford non spiegava lo spettro di emissione e di assorbimento dellidrogeno e la sua stabilità: gli elettroni, ruotando su orbite, dovrebbero emettere onde elettromagnetiche e, perdendo energia, ricadere sul nucleo 1913 N. Bohr postulò che gli elettroni viaggiassero su orbite stazionarie cedendo/assorbendo energia quando saltano da unorbita allaltra 1919 A. Sommerfeld perfezionò il modello di Bohr per spiegare gli spettri osservati per atomi più complessi. Fisica quantistica Nasceva così la Fisica quantistica

4 Gallipoli, 1 marzo 2013A. Ventura 4 Scoperta del neutrone 1930 W. Bothe e H. Becker bombardarono berillio con particelle molto energetiche, producendo radiazione neutra e assai penetrante. Be + He C + n Due anni dopo F. Joliot e I. Curie scoprirono che particelle neutre possono espellere protoni dalla paraffina. neutroni1932 J. Chadwick identificò tali particelle come simili ai protoni, ma senza carica: i neutroni I nuclei atomici sono formati da nucleoni (protoni e neutroni) in numero simile.

5 Gallipoli, 1 marzo 2013A. Ventura 5 Scoperta dellantimateria positrone1931 A conferma della teoria di P. A. M. Dirac che prevedeva stati a energie negative (1928), dallo studio dei raggi cosmici, C. D. Anderson scoprì il positrone, lantiparticella dellelettrone Quando una particella e un antiparticella interagiscono, si annichilano producendo energia E = 2m e c 2 e + e – e + e – Avviene anche il contrario: un fotone produce una coppia e + e –

6 Gallipoli, 1 marzo 2013A. Ventura 6 Lipotesi del neutrino e il muone Il neutrone è instabile e si disintegra secondo il cosiddetto decadimento. Ma energia e momento non si conservano: servirebbe una particella senza massa né carica che giustifichi tale bilancio energetico. neutrino1934 E. Fermi e W. Pauli ipotizzarono lesistenza del neutrino (ma per molti anni non vi fu evidenza sperimentale…). n p + e – + muone1936 Dallo studio delle interazioni dei raggi cosmici Anderson scoprì una particella non presente in atomi ordinari: il muone, con massa 207 volte maggiore dellelettrone. I. I. Rabi commentò Who ordered that?

7 Gallipoli, 1 marzo 2013A. Ventura 7 Scoperta del pione Il muone fu ritenuto per oltre 10 anni il mediatore delle interazioni nucleari previsto da H. Yukawa già nel Tuttavia la sua vita media ( ~2·10 -6 s) è >> del atteso per le forze nucleari ( ~ s). pioni1947 In emulsioni nucleari esposte ad alta quota C. Powell osservò eventi con pioni Mentre il – è assai penetrante, il – si fa catturare dal nucleo, come previsto da Yukawa Scoperto anche il pione neutro 0, J. Steinberger et al., che tipicamente decade in 0 m( + ) = MeV/c 2 m( 0 ) = MeV/c 2

8 Gallipoli, 1 marzo 2013A. Ventura 8 Le particelle strane straneNegli anni 1950 dalle interazioni dei raggi cosmici in camere a nebbia immerse in campi magnetici si iniziarono a osservare particelle strane: hanno sezioni durto tipiche di interazioni forti ma decadimenti in pioni con vite medie tipiche di interazioni deboli. Osservazioni di eventi V. Tali particelle furono chiamate mesoni K, e si dovette introdurre un nuovo numero quantico denominato stranezza S. Bevatron (LBL) protoni su bersaglio fisso Intanto la tecnologia necessaria per costruire acceleratori di particelle in laboratori avanzava rapidamente. Si poterono così studiare le particelle elementari in maniera sistematica!

9 Gallipoli, 1 marzo 2013A. Ventura 9 Acceleratori: principi di funzionamento Campo elettrico: accelera Campo magnetico: curva Raggio di ciclotrone Il primo ciclotrone fu costruito da E. Lawrence a Berkeley nel 1930 Particelle α decadimenti radioattivi: 1÷5 MeV 1939: ciclotrone 1.5 m di diametro: 19 MeV Massima energia di un ciclotrone: 25 MeV Passo successivo: sincrotrone

10 Gallipoli, 1 marzo 2013A. Ventura 10 I primi grandi acceleratori 1952 BNL (Brookhaven National Laboratory) : COSMOTRONE protoni da 3 GeV, 2000 ton di Fe, 20 m di diametro Conferma la produzione associata di particelle strane: + p K LBL (Lawrence-Berkeley Laboratory) : BEVATRONE protoni da 6 GeV, ton di Fe E. Segrè e O. Chamberlain scoprono lantiprotone in p p p p p p 1957 Dubna: SINCROFASATRONONE protoni da 10 GeV, ton di Fe Negli anni 1950 USA e URSS si rincorrevano nella sfida alle energie più alte, e lEuropa…? _

11 Gallipoli, 1 marzo 2013A. Ventura 11 La nascita del CERN La seconda guerra mondiale aveva mandato lEuropa in rovina e disperso in USA i migliori fisici europei 1950 LUNESCO approvò una risoluzione cui, due anni dopo, 11 paesi europei presero parte fondando il CERN (Consiglio Europeo per la Ricerca Nucleare) 1954 Nacque il CERN, tuttora il laboratorio di particelle elementari più grande del mondo. Sito scelto fu Meyrin, un piccolo paese vicino Ginevra 1959 ProtoSincrotrone, 24 GeV, 3200 ton, diametro 200 m

12 Gallipoli, 1 marzo 2013A. Ventura 12

13 Gallipoli, 1 marzo 2013A. Ventura 13

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19 Gallipoli, 1 marzo 2013A. Ventura 19 Premi Nobel che hanno fatto grande la Fisica delle Particelle 1906 J. J. Thomson 1921 A. Einstein 1922 N. Bohr 1927 A. Compton, C. Wilson 1932 W. Heisenberg 1933 P. Dirac, E. Schrodinger 1935 J. Chadwick 1936 C. Anderson, V. Hess 1938 E. Fermi 1939 E. Lawrence 1945 W. Pauli 1949 H. Yukawa 1950 C. Powell 1954 M. Born, W. Bothe 1957 T. Lee, C. Yang 1959 O. Chamberlain, E. Segrè 1965 R. Feynman, J. Schwinger, S. Tomonaga 1969 M. Gell-Mann 1976 B. Richter, S. Ting 1979 S. Glashow, A. Salam, S. Weinberg 1980 J. Cronin, V. Fitch 1984 S. van der Meer, C. Rubbia 1988 L. Lederman, M. Schwartz, J. Steinberger 1992 J. Charpak 1995 M. Perl, F. Reines 1999 G. t Hooft, M. Veltman 2004 D. Gross, D. Politzer, F. Wilczek 2008 Y. Nambu, M. Kobayashi, T. Maskawa

20 Gallipoli, 1 marzo 2013A. Ventura 20 Il quadro è completo! (o quasi…) quarkleptoniLa descrizione dei costituenti della materia (quark e leptoni) è al completo! bosone di HiggsDopo la soperta del 4 luglio 2012 abbiamo forse trovato il bosone di Higgs, responsabile del meccanismo di attribuzione di massa di tutte le particelle

21 Gallipoli, 1 marzo 2013A. Ventura 21 Oltre il Modello Standard I fisici negli ultimi decenni hanno formulato vari modelli teorici per provare a rispondere alle questioni irrisolte, tra i quali… SupersimmetriaSUSYLa Supersimmetria (SUSY), una tra le più accreditate bosoni vettori massiviW ZNuovi bosoni vettori massivi (W / Z ) q q Z X X X Y Y Y esotiche long-livedParticelle esotiche long-lived (HV, etc…) micro-buchi neriI micro-buchi neri Graviton (G) Extra-DimensionsLe Extra-Dimensions

22 Gallipoli, 1 marzo 2013A. Ventura 22 La sfida di LHC Large Hadron ColliderIl Large Hadron Collider (LHC) al CERN si propone di scoprire Nuova Fisica esplorando nuove regioni di energia La sua costruzione è iniziata subito dopo LEP (2000) 7+7 TeVSi faranno collidere protoni a 40 MHz a energie senza precedenti: 7+7 TeV sette volte maggiore che al TeVatron!!! Luminosità di progetto cm -2 s -1 Oltre 1600 magneti superconduttori tenuti a T=1.9K da He superfluido Una sfida tecnologica a tutti i livelli Dopo quasi un decennio nel 2009 ci sono state le prime collisioni, lo scorso anno sono stati raccolti 50 pb -1 di dati: ora si continua a prendere dati per cercare le risposte alle importanti domande rimaste aperte

23 Gallipoli, 1 marzo 2013A. Ventura 23 Acceleratori e loro energie oggi 7 TeVLHC coi suoi attuali 7 TeV supera le energie mai raggiunte finora in tutti i maggiori centri con acceleratori di particelle: –Lo stesso CERN, posto sul confine franco-svizzero vicino a Ginevra. Qui fu installato il LEP, collider e + e – a 200 GeV. –Il DESY, ad Amburgo in Germania, ha ospitato l'HERA, che collideva elettroni o positroni con protoni a 300 GeV. –Lo SLAC, a Stanford in California (USA), che col suo SLC è arrivato a far collidere elettroni e positroni fino a 100 GeV. –Il Fermilab, a Chicago in Illinois (USA), con il Tevatron, che collide protoni ed antiprotoni a 2 TeV. –Il Brookhaven National Laboratory, di Long Island (USA), dove si trova il RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider), che collide ioni pesanti (come gli ioni d'oro) con dei protoni da 100 GeV. –I Laboratori Nazionali di Frascati dell'INFN in Italia, dove ha sede DAΦNE, per la collisione di elettroni e positroni a 1.02 GeV.

24 Gallipoli, 1 marzo 2013A. Ventura 24 Gli esperimenti allLHC ATLAS ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) 25 m 46 m CMS CMS (Compact Muon Solenoid) Gli esperimenti general-purpose di LHC sono:

25 Gallipoli, 1 marzo 2013A. Ventura 25 Uno sguardo ad ATLAS Bobine dei toroidi del cilindro centrale Camere per rivelare muoni Calorimetro in avanti Tracciatore interno

26 Gallipoli, 1 marzo 2013A. Ventura 26 Uno sguardo ad ATLAS 10 Settembre 2008 Primi fasci in ATLAS Event Display nella sala di controllo di ATLAS Evidenza del bosone di Higgs!

27 Gallipoli, 1 marzo 2013A. Ventura 27 Lavventura continua! La Fisica delle Particelle Elementari ha compiuto passi da gigante nellultimo secolo: non più lingegno di pochi per esperimenti di breve durata, ma la collaborazione di tante persone per progetti lunghi anche molti anni. ATLASI numeri dellesperimento ATLAS: 1992 –Progettato nel –Oltre 3000 tra fisici, ingegneri e tecnici –17038 –170 università e laboratori di 38 nazioni 10 8 –3000 km di cavi, 10 8 canali elettronici ~10 m –Misure di precisione fino a ~10 m O(10 16 ) bytes –Acquisiti O(10 16 ) bytes di dati allanno –Temperatura 10 5 volte maggiore del Sole 1 ns corrispondente a 1 ns dopo il Big Bang Dopo levidenze sperimentale del bosone di Higgs potremmo essere alla vigilia di nuove grandi scoperte !!!


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