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Paolo Gambino 3/3/2008 1 Perché LHC? Breve viaggio nella fisica delle particelle Paolo Gambino Università di Torino.

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Presentazione sul tema: "Paolo Gambino 3/3/2008 1 Perché LHC? Breve viaggio nella fisica delle particelle Paolo Gambino Università di Torino."— Transcript della presentazione:

1 Paolo Gambino 3/3/ Perché LHC? Breve viaggio nella fisica delle particelle Paolo Gambino Università di Torino

2 Paolo Gambino 3/3/ Piccolo prologo riduzionista Esistono leggi fisiche più fondamentali di altre? Certo! I fenomeni naturali possono essere spiegati almeno in principio da una catena di spiegazioni causali Alla cui base sono una serie di leggi fondamentali: Newton spiega Keplero, la MQ spiega le proprietà atomiche e molecolari, anche se non sappiamo predire quelle del DNA Nella storia della fisica ciò che è fondamentale abbraccia un arco sempre più ampio di fenomeni unificandoli E sorprendente (per me) ma funziona!

3 Paolo Gambino 3/3/ Lunificazione dei fenomeni fisici Primo es: Newton che con la sua teoria gravitazionale unifica (descrive con le stesse leggi) fenomeni terrestri e celesti

4 Paolo Gambino 3/3/ Ricerca di semplicità e costituenti elementari Oggi la fisica delle particelle può fornire la chiave per chiarire alcuni aspetti delle leggi fondamentali

5 Paolo Gambino 3/3/ Le interazioni fondamentali Le particelle di materia interagiscono tra loro scambiandosi bosoni la forza può essere attrattiva o repulsiva

6 Paolo Gambino 3/3/ Le 4 interazioni fondamentali elettromagnetiche deboli forti gravitazionali Forza elettromagnetica tiene insieme atomi e molecole spiega tutti i fenomeni em & ottici raggio dazione infinito schermata a grandi distanze mediata dal fotone

7 Paolo Gambino 3/3/ Le equazioni di Maxwell (1864) Unificando elettricità e magnetismo, Maxwell spiega la natura della luce: lottica diventa una branca dellelettromagnetismo Con le sue eq. inizia labbandono del meccanicismo in fisica F =4 /c J F =0

8 Paolo Gambino 3/3/ Le interazioni deboli Decadimenti β Decadimento del muone Allorigine di radioattività naturale, sono deboli solo a bassa energia mediate da W e Z, raggio dazione molto piccolo: il W e lo Z hanno massa pari a 80 e 90 masse del protone. Distinguono tra particelle destrorse e sinistrorse (violano la parità)

9 Paolo Gambino 3/3/ Le 4 interazioni fondamentali elettromagnetiche deboli forti gravitazionali elettrodeboli MODELLO STANDARD Non cè ad oggi evidenza di una struttura dellelettrone e dei quark Tengono insieme i nuclei atomici confinano i quark nei protoni e neutroni sono mediate da gluoni si indeboliscono a piccole distanze

10 Paolo Gambino 3/3/ Le 4 interazioni fondamentali elettromagnetiche deboli forti gravitazionali Relatività generale Einstein 1916 Non esiste una teoria quantistica consistente della gravitazione Sono molto molto più deboli delle altre interazioni

11 Paolo Gambino 3/3/ Le 4 interazioni fondamentali elettromagnetiche deboli forti gravitazionali elettrodeboli MODELLO STANDARD GUTs ? Stringhe ? tutte le interazioni dettate da un principio di simmetria (simmetria di gauge) E possibile unificare tutte le forze utilizzando simmetrie più ampie?

12 Paolo Gambino 3/3/ Simmetrie In fisica parliamo di simmetria quando un sistema è invariante rispetto a una certa trasformazione (per es di coordinate) Le simmetrie possono essere discrete oppure continue A ogni simmetria continua corrisponde la conservazione di una grandezza fisica. Le simmetrie dello spazio tempo determinano le costanti del moto: inv. per traslazioni conservazione del momento

13 Paolo Gambino 3/3/ La simmetria detta la dinamica E inevitabile che le leggi fisiche soddisfino certe simmetrie (inv per traslazioni, rotazioni…) Ma oggi pensiamo che la simmetria determini la forma delle leggi fondamentali della fisica Un procedimento simile sta alla base della relatività generale (1916): postula linvarianza delle leggi di natura per cambiamenti locali di coordinate spazio-temporali (principio di equivalenza) Il modello standard è una teoria di gauge locale in cui linvarianza è rispetto a rotazioni locali generalizzate in uno spazio interno In teoria relativistica dei campi linvarianza per un cambio di fase corrisponde alla conservazione della carica elettrica GLOBALE Conservazione carica LOCALE elettromagnetismo La richiesta di invarianza per cambiamenti locali di fase impone laccoppiamento con il campo elettromagnetico

14 Paolo Gambino 3/3/ Materia e quanti dinterazione Elettroma gnetica debole forte gravita zionale FERMIONI spin 1/2 BOSONI spin 1 o 2 doppietti elettrodeboli: le due particelle sinistrorse sono manifestazioni diverse di una stessa particella L LL

15 Paolo Gambino 3/3/ generazioni: lo zoo delle particelle ridotto a mattoni fondamentali A prima vista solo la prima famiglia entra nella vita di tutti i giorni Raggi cosmici Per osservare i mattoni più pesanti sono necessari gli acceleratori

16 Paolo Gambino 3/3/ Due strade complementari per osservare gli effetti di nuove particelle Produzione diretta Ricerca indiretta Gli effetti virtuali (loops) di particelle pesanti sono soppressi ma possono essere misurati Storicamente segnali indiretti hanno sovente anticipato scoperte dirette (charm, top...) top Higgs

17 Paolo Gambino 3/3/ Ricerche indirette di nuove particelle sono come le ricerche indirette di buchi neri attraverso i loro effetti gravitazionali sul moto delle galassie richiedono misure molto precise e calcoli altrettanto precisi

18 Paolo Gambino 3/3/ La produzione di particelle pesanti richiede acceleratori sempre più potenti

19 Paolo Gambino 3/3/ LEP e LHC al CERN di Ginevra

20 Paolo Gambino 3/3/ ATLAS CMS ALICE LHCb LHC Experiments

21 Paolo Gambino 3/3/ La lezione di LEP LEP non ha scoperto nuove particelle ma ha confermato le interazioni di gauge del MS con una precisione del 0.1% Oggi crediamo che la simmetria di gauge sia corretta e abbia un significato profondo nonostante sia incompatibile con le masse

22 Paolo Gambino 3/3/ La simmetria nascosta Il MS unifica interazioni deboli & elettromagnetiche, sebbene esse abbiano raggio dazione molto diverso... La simmetria che le unifica è nascosta! In natura è piuttosto comune che lo stato a più bassa energia non sia quello simmetrico: es. ferromagnete sotto la temperatura di Curie, lorbita della terra non è simmetrica…

23 Paolo Gambino 3/3/ Rottura spontanea di simmetria Lo stato di minima energia (il vuoto) non è simmetrico: la simmetria è nascosta

24 Paolo Gambino 3/3/ Solo ad alte energie la simmetria nascosta diventa evidente

25 Paolo Gambino 3/3/ Il mistero dellHiggs m0 0 Il vuoto deve perciò avere certe proprietà Deve esistere un qualcosa X che rompe la simmetria del vuoto e interagendo con le particelle dà loro massa Può essere un nuovo campo elementare (BOSONE di HIGGS) o la manifestazione di una nuova interazione (technicolor) Abbiamo indicazioni a favore del bosone di Higgs. La massa dellHiggs è lultimo parametro sconosciuto del MS, deve essere <600GeV Il meccanismo di rottura della simmetria elettrodebole è il problema centrale della fisica delle particelle attuale

26 Paolo Gambino 3/3/ Che cosa sappiamo dellHiggs? Ricerche dirette a LEP: M H >114.4 GeV

27 Paolo Gambino 3/3/ Che cosa sappiamo dellHiggs (II) Determinazione indiretta: netta preferenza per un Higgs leggero sotto i 150GeV. FIT alle osservabili elettrodeboli assumendo la validità del MS Cè qualcosa che non torna Un segnale di fisica oltre il MS?

28 Paolo Gambino 3/3/ Se cè, lHiggs verrà scoperto

29 Paolo Gambino 3/3/ Perché non crediamo nel MS troppi parametri, 3 repliche senza spiegazione incompleto: e la gravità? Perché è così debole? non prevede masse per i neutrini, non ne spiega la piccolezza non spiega la materia oscura osservata, nè la bariogenesi Materia oscuraMateria non oscura Trovare lHiggs è parte di un progetto più ambizioso: capire lorigine della rottura di simmetria che genera le masse e la natura della scala elettrodebole Il MS ha passato molti test, eppure anche se lHiggs venisse trovato

30 Paolo Gambino 3/3/ La scommessa di LHC Il MS deve avere un completamento che ancora non conosciamo. Ma è una teoria protetta da effetti di scale alte (renormalizzabile). Lestrapolazione del MS ad alte energie è problematica: la gerarchia (18 ordini di grandezza) tra scale di Fermi e di Planck è instabile proprio a causa dellHiggs. La densità di materia oscura suggerisce novità a scale vicine Ci aspettiamo Nuova Fisica sotto il TeV! Per esempio supersimmetria… …o delle dimensioni nascoste…

31 Paolo Gambino 3/3/ Il futuro è supersimmetrico? La supersimmetria è unidea bellissima: simmetria tra particelle con spin diverso bosoni fermioni Produzione di gluini e squark a LHC Risolve alcuni problemi del MS, ma è rotta! E come? Ha un settore di Higgs esteso e uno spettro ricchissimo Se esiste verrà esplorata In dettaglio a LHC

32 Paolo Gambino 3/3/ The way to the future

33 Paolo Gambino 3/3/

34 Paolo Gambino 3/3/ I Nobel del Modello Standard Nobel 1979 GLASHOW, SALAM and WEINBERG teoria unificata delle forze elettrodeboli e magnetiche Nobel 1984 RUBBIA and VAN DER MEER scoperta dei bosoni W e Z, che comunicano le interazioni deboli Nobel 1999 THOOFT e VELTMAN rinormalizzabilità del MS Nobel 2004 GROSS, POLITZER, WILZCEK teoria interazioni forti

35 Paolo Gambino 3/3/ LHC: il punto di svolta LHC: il punto di svolta Il Modello Standard funziona benissimo, molto meglio di quanto ci si aspettasse. LHC, scoprendo lHiggs o ciò che lo simula, permetterà di incominciare a capire come completarlo


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