P. Morettini 28/4/20141Paolo Morettini - Liceo Grassi.

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1 P. Morettini 28/4/20141Paolo Morettini - Liceo Grassi

2 LHC 28/4/2014 Paolo Morettini - Liceo Grassi 2  LHC (Large Hadron Collider) è un acceleratore di protoni in funzione al CERN.  Utilizzato da migliaia di fisici di tutto il mondo, che lavorano in quattro esperimenti.  È costato 3 miliardi di euro, e servono 20 milioni all’anno per pagare la bolletta elettrica (consuma 120 MW, cioè come l‘intero cantone di Ginevra).  Ha consentito la scoperta del bosone di Higgs nel 2012.

3 Perché LHC? Perché l’Higgs? Cercheremo di rispondere a queste legittime domande (LHC è finanziato integralmente con denaro pubblico) facendo un po’ di luce sugli aspetti chiave di questo tipo di ricerca scientifica:  La Fisica delle Particelle  I rivelatori di particelle  Problemi da risolvere  Ricadute tecnologiche 28/4/2014 Paolo Morettini - Liceo Grassi 3 Cosa si fa Come si fa Cosa si spera di scoprire Possibili benefici per la società

4 ElettroneProtoneNeutrone 28/4/2014 Paolo Morettini - Liceo Grassi 4 Come è fatta la materia? La materia che ci circonda è fatta di atomi, che, a dispetto del nome, sono facilmente divisibili. Da un punto di vista particellare sono fatti di elettroni, protoni e neutroni. Quindi tre sole particelle, di cui due nemmeno elementari, compongono la totalità delle cose che ci circondano. Cosa si fa

5 Voilà. Tutto fatto? 17/3/2014 Paolo Morettini - IISS Liceti 5

6 La luce 17/3/2014 Paolo Morettini - IISS Liceti 6 Oltre alla materia, fatta di atomi, in nostro mondo è fatto di luce. Noi pensiamo subito alla luce visibile, come quella che viene dal sole. Ma ci sono le onde radio, o i raggi x, che sono tipi diversi di luce.

7 La luce e i fotoni 17/3/2014 Paolo Morettini - IISS Liceti 7 Ora, anche se macroscopicamente il comportamento è quello di un onda, microscopicamente tutti i tipi di luce sono fatti da una particella detta fotone (  ). Al crescere dell’energia, i fotoni assumono varie forme.

8 Composizione della materia 28/4/2014 Paolo Morettini - Liceo Grassi 8 Leptoni Elettrone Adroni ProtoneNeutrone Fotone – mediatore della forza EM

9 Tutto qui? Fin dall’inizio del Novecento si è capito che esistevano molte altre particelle per lo più instabili: 28/4/2014 Paolo Morettini - Liceo Grassi 9 PioneLambdaKaone EtaProtone Neutrone Barione (P) Mesone (  ) E uno studio più sistematico ha chiarito che molte non erano affatto elementari, ma composte da particelle più piccole, dette quarks.

10 Il Modello Standard 28/4/2014 Paolo Morettini - Liceo Grassi 10 Leptoni Elettrone Neutrino e Muone Neutrino  Tau Neutrino  Quarks Up Down Charm Strange Top Bottom Fotone – mediatore della forza EM Bosoni W e Z – mediatori della forza debole Gluoni – mediatori della forza forte

11 Fotone – mediatore della forza EM Bosoni W e Z – mediatori della forza debole Gluoni – mediatori della forza forte Il Modello Standard 28/4/2014 Paolo Morettini - Liceo Grassi 11 Leptoni Elettrone Neutrino e Muone Neutrino  Tau Neutrino  Quarks Up Down Charm Strange Top Bottom I leptoni sono particelle elementari sensibili all’interazione elettromagnetica e debole, ma non a quella forte. Elettrone, muone e tau hanno masse progressivamente crescen- ti. Solo l’elettrone è stabile. I neutrini a lungo ritenuti privi di massa, hanno in realtà masse molto piccole (pochi eV). Hanno una scarsa capacità di interagire con la materia, quindi risultano difficili da studiare. Ogni leptone possiede una corrispondente antiparticella, di carica elettrica opposta.

12 Leptoni Elettrone Neutrino e Muone Neutrino  Tau Neutrino  Il Modello Standard 17/3/2014 Paolo Morettini - IISS Liceti 12 Quarks Up Down Charm Strange Top Bottom I quarks sono particelle che risentono della interazione forte, oltre che di quella elettro- magnetica e debole. Hanno carica frazionaria (2/3 la riga sopra e -1/3 quella sotto). Anche i quarks hanno le corrispondenti antiparticelle. La ragione per cui non si osservano quark liberi ma solo aggregati di quarks (adroni) è legata ad una proprietà delle interazioni forti detta ”confinamento”. Di fatto se si tenta di spaccare un adrone il campo forte diventa talmente intenso da permettere la creazione di nuove coppie quark-antiquark e la generazione di nuovi adroni. Esiste una grande varietà di adroni. Si distinguono in mesoni (fatti da due quarks, come il  ed il k) e barioni (fatti da tre quarks come il protone ed il neutrone).

13 Il Modello Standard 28/4/2014 Paolo Morettini - Liceo Grassi 13 Quarks Up Down Charm Strange Top Bottom Fotone – mediatore della forza EM Bosoni W e Z – mediatori della forza debole Gluoni – mediatori della forza forte In meccanica quantistica relativistica anche le interazioni sono mediate da particelle. Nel Modello Standard la minima interazione consiste nello scambio di un mediatore (quanto). Interazioni più complesse possono comportare lo scambio simultaneo di più mediatori. La trattazione di interazione elettromagnetica e debole nel MS è unificata, per cui si parla di interazione elettro-debole.

14 Il Modello Standard 28/4/2014 Paolo Morettini - Liceo Grassi 14 Formalizzato negli anni ‘60, il MS descrive in modo probabilistico le interazioni tra le particelle elementari, in un ambito quanto-relativistivo. Massa ed energia sono equivalenti (E=mc 2 ), quindi è possibile creare e distruggere particelle: Energia   e+e+ e-e- q q jet adronico

15 28/4/2014 Paolo Morettini - Liceo Grassi 15 Un elettrone ed un positrone si annichilano. La loro energia viene trasferita a un fotone o a una Z 0 che decadono poi un una coppia e + e -   e+e+ e-e- e-e- e+e+ Interazioni tra particelle

16 28/4/2014 Paolo Morettini - Liceo Grassi 16 Un elettrone ed un positrone si annichilano. La loro energia viene trasferita a un fotone o a una Z 0 che decadono poi un una coppia  +  -   e+e+ e-e- -- ++ Interazioni tra particelle

17 28/4/2014 Paolo Morettini - Liceo Grassi 17 Un elettrone ed un positrone si annichilano. La loro energia viene trasferita a un fotone o a una Z 0 che decadono poi un una coppia qq   e+e+ e-e- q q jet adronico Interazioni tra particelle

18 Acceleratori di particelle Esistono sorgenti naturali di particelle: ad esempio, dal sole e dal cosmo riceviamo intensi flussi di particelle di diversi tipi ed energie. Tuttavia gli acceleratori di particelle costituiscono il modo più comodo di produrre e studiare particelle. Si accelerano particelle «comuni» (elettroni, protoni) e si provocano urti con bersagli fissi (nuclei) o altri fasci di particelle. 28/4/2014 Paolo Morettini - Liceo Grassi 18 Come si fa

19 Acceleratori di particelle Il tubo catodico del vostro vecchio televisore è un semplice acceleratore di elettroni: con un campo elettrico di qualche kV si puo accelerare un elettrone all’energia di qualche keV. I moderni acceleratori possono arrivare a qualche TeV ( 1 TeV = 10 12 eV). 28/4/2014 Paolo Morettini - Liceo Grassi 19

20 Acceleratori di particelle I parametri chiave per un acceleratore sono l’energia massima e la quantità di collisioni che possono essere generate (luminosità). Energia maggiore consente di produrre, negli urti, particelle di massa maggiore. Luminosità elevata significa capacita di generare eventi molto rari in tempi ragionevoli. 28/4/2014 Paolo Morettini - Liceo Grassi 20 Interaction Point Bunches Bunch spacing

21 28/4/201421 Paolo Morettini - Liceo Grassi

22 28/4/2014 Paolo Morettini - Liceo Grassi 22 PEP - II PEP-II è un acceleratore lineare di elettroni che si trova a SLAC, vicino a San Francisco. La parte lineare termina con due anelli di accumulazione dove si possono realizzare collisioni tra fasci (9 Gev e - /3.1 GeV e + ). A PEP-II ha operato l’esperimento BaBar, che studia la violazione di CP nel sistema dei mesoni con beauty.

23 28/4/2014 Paolo Morettini - Liceo Grassi 23 KEKB KEKB è un acceleratore asimmetrico di elettroni /positroni (8 Gev e - /3.5 GeV e + ). KEKB si trova a Tsukuba, vicino a Tokyo. A KEKB ha preso dati l’esperimento Belle, anch’esso dedicato allo studio la violazione di CP nel sistema dei mesoni con beauty.

24 28/4/2014 Paolo Morettini - Liceo Grassi 24 Tevatron Il Tevatron è un acceleratore protone - antiprotone da 1 TeV per fascio che si trova a Fermilab, vicino a Chicago. Al Tevatron ha operato CDF, un esperimento che è stato in presa dati per circa 15 anni. A CDF è stato scoperto il quark top, e sono state svolte misure di precisione nel settore degli adroni con beauty.

25 28/4/2014 Paolo Morettini - Liceo Grassi 25 Il complesso del CERN

26 28/4/2014 Paolo Morettini - Liceo Grassi 26 Il complesso del CERN L’SPS è un acceleratore circolare in grado di accelerare elettroni, protoni e ioni di piombo. È stato (e sarà) usato sia come iniettore per altri acceleratori, sia come collider protone-antiprotone a 300 GeV per fascio. In questa modalità ha permesso agli esperimenti UA1 e UA2 la scoperta del W e dello Z.

27 28/4/2014 Paolo Morettini - Liceo Grassi 27 Il complesso del CERN L’SPS è un acceleratore circolare in grado di accelerare elettroni, protoni e ioni di piombo. È stato (e sarà) usato sia come iniettore per altri acceleratori, sia come collider protone-antiprotone a 300 GeV per fascio. In questa modalità ha permesso agli esperimenti UA1 e UA2 la scoperta del W e dello Z. Il LEP è un collider elettrone- positrone con energie nel centro di massa fino a 200 GeV. Ha permesso a quattro esperimenti (ALEPH, DELPHI, L3 ed OPAL) une serie impressionante di misure di altissima precisione in tutti i settori del Modello Standard.

28 28/4/2014 Paolo Morettini - Liceo Grassi 28 Il complesso del CERN LHC è il nuovo acceleratore del CERN, in presa dati dal 2009. È installato nel nel tunnel del LEP (circonferenza 27 km). È un acceleratore protone- protone a 7+7 TeV e Pb-Pb a 2.8+2.8 TeV per nucleone.

29 28/4/2014 Paolo Morettini - Liceo Grassi 29 Caratteristiche di LHC LHC è stato progettato per consentire l’analisi di eventi molto rari ad energie elevate. Accelera protoni fino a 7 TeV, e produce fino a 800 milioni di collisioni al secondo. Sofisticatissime tecnologie magnetiche, criogeniche e di vuoto sono indispensabili per il suo funzionamento.

30 Booom !! 28/4/2014 Paolo Morettini - Liceo Grassi 30 Si sa che non tutte le ciambelle riescono con il buco. Cosi è capitato che il 19 Settembre 2008, a causa di una connessione difettosa tra due cavi superconduttori, si è verificato un quench non molto controllato in un magnete. Il calore sviluppato ha provocato una rapida evaporazione dell’elio superfluido (1.9 K) usato per il raffreddamento. Sfortunatamente la valvola di sfogo era troppo piccola (la ciambella senza buco), il che ha generato un’esplosione ed il successivo rilascio di svariate tonnellate di elio nel tunnel. La riparazione è durata più di un anno.

31 LHC 2012: nuovo record di energia 28/4/2014 Paolo Morettini - Liceo Grassi 31 4+4 TeV !!

32 Dopo i problemi iniziali, LHC funziona molto bene e, nei run del 2010, 11 e 12 ha consentito la raccolta di grandi quantità di dati LHC 2012: Luminosità di picco 28/4/2014 Paolo Morettini - Liceo Grassi 32 Luminosità di progetto 10 34 cm -2 s -1

33 LHC 2012: Luminosità totale 28/4/2014 Paolo Morettini - Liceo Grassi 33