Laboratori Nazionali di Frascati Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Frascati 28-9-2007 Il Modello Standard ovvero di che cosa siamo fatti e come interagiamo con le forze dell’Universo Fabrizio Murtas (fabrizio.murtas@lnf.infn.it)

Costituenti materiali Il Modello Antico Costituenti materiali Forze Terra Acqua Aria Fuoco Si può porre un’analogia tra questo quadro e quello ipotizzato dai pensatori dell’antica Grecia: aria, acqua e terra sarebbero i costituenti fondamentali della materia, il fuoco sarebbe una forza. Sin dall’antichità l’umanità ha cercato di capire quali fossero i costituenti fondamentali dell’universo

Atomi Dopo circa 2000 anni (1900 dC), questa era la visione della materia L’organizzazione 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.

Struttura dell’atomo Rutherford: il primo fisico delle alte energie Nel 1897 Thompson scopre l’elettrone Se l’elettrone è carico negativamente questo implica L’atomo non è elementare, Ci deve anche essere una carica positiva. elettroni carica positiva distribuita Rutherford: il primo fisico delle alte energie La struttura della materia puo’ essere indagata con fasci di particelle

Inizio ‘900 Il modello atomico planetario Dagli atomi ….. Fine ‘800 L’atomo Atomo Inizio ‘900 Il modello atomico planetario Tutta la materia e’ composta di : Elettroni Protoni Neutroni Il tema di ricerca dell’INFN – i costituenti fondamentali della materia – nasce, in senso moderno, alla fine dell’Ottocento, quando si concretizza l’idea di una materia fatta di atomi, di piccolissimi granelli. All’inizio del Novecento, l’atomo rivelò una struttura interna sorprendente. Il fatto é così riportato dallo scrittore argentino Borges: “Il diametro di un atomo è stato calcolato, salvo errori, in pochi decimillionesimi di millimetro. Questa vertiginosa piccolezza non vuol dire che esso sia indivisibile: al contrario Rutherford lo definisce a immagine di un sistema solare, fatto di elettroni rotatori e di un nucleo centrale, centomila volte più piccolo dell’intero atomo”. Questo piccolissimo nucleo, negli anni Trenta – col contributo decisivo di Enrico Fermi – si rivelò un aggregato compatto di protoni e neutroni. Negli ultimi 50 anni, quelli di vita dell’Istituto, mentre da una parte si è approfondita la comprensione della complessa struttura nucleare, fino all’attuale studio di situazioni estreme, dall’altra il nostro sguardo è penetrato all’interno del protone, cogliendone la struttura a quark, con una definizione dei dettagli pari a un millesimo del suo diametro. Tutto il resto è vuoto !!!

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 p e - nm S- S0 ne r K+ S+ n K0 K- Dov’è l’ordine ? p L p0 m K0

Ci deve essere una struttura sottostante Nuova regolarità Nel 1961 Gell-Mann & Ne’eman fecero per le particelle “fondamentali” cio che Mendeleev aveva fatto 100 anni prima per gli atomi “fondamentali”. n p S- S+ - 0 S0 L S = 0 S = -1 S = -2 S = -3 D- D0 D+ D++ S*- S*0 S*+ *- *0 W- Q = +1 Q = -1 Q = 0 Q = +2 p- p+ p0 h K0 K+ K- S = +1 S = 0 S = -1 Ci deve essere una struttura sottostante

Dagli atomi ai quark Fine ‘800 L’atomo Protone Atomo Inizio ‘900 Il modello atomico planetario Anni 30 La struttura del nucleo atomico (protone e neutrone) Il tema di ricerca dell’INFN – i costituenti fondamentali della materia – nasce, in senso moderno, alla fine dell’Ottocento, quando si concretizza l’idea di una materia fatta di atomi, di piccolissimi granelli. All’inizio del Novecento, l’atomo rivelò una struttura interna sorprendente. Il fatto é così riportato dallo scrittore argentino Borges: “Il diametro di un atomo è stato calcolato, salvo errori, in pochi decimillionesimi di millimetro. Questa vertiginosa piccolezza non vuol dire che esso sia indivisibile: al contrario Rutherford lo definisce a immagine di un sistema solare, fatto di elettroni rotatori e di un nucleo centrale, centomila volte più piccolo dell’intero atomo”. Questo piccolissimo nucleo, negli anni Trenta – col contributo decisivo di Enrico Fermi – si rivelò un aggregato compatto di protoni e neutroni. Negli ultimi 50 anni, quelli di vita dell’Istituto, mentre da una parte si è approfondita la comprensione della complessa struttura nucleare, fino all’attuale studio di situazioni estreme, dall’altra il nostro sguardo è penetrato all’interno del protone, cogliendone la struttura a quark, con una definizione dei dettagli pari a un millesimo del suo diametro. Anni 60 La struttura subnucleare a quark … il protone ed il neutrone non sono elementari !!!

I quarks hanno carica frazionaria ! d u d Quark up Q = +2/3 Quark down Q = -1/3 Protone Q= +2/3 +2/3 -1/3 = 1 Neutrone Q= +2/3 -1/3 -1/3 = 0 u s d Particella “strana” L Q = +2/3 -1/3 -1/3 = 0

L’annichilazione materia-antimateria muone antimuone E = m c2 antielettrone elettrone Per esempio elettroni e antielettroni, che collidendo possono dar luogo a nuove forme di materia e antimateria, attraverso il processo di annichilazione e la formazione di uno stato intermedio di pura energia. Viene così riprodotto su scala microscopica l’atto iniziale di formazione della materia nell’Universo.

AdA: Anello di Accumulazione F r a s c a t i 1961 Bruno Touschek 1 m I microscopi del mondo subnucleare sono la combinazione di collisori e rivelatori di particelle. Il modello più elegante di collisore é quello concepito nel 1960 a Frascati da Bruno Touschek, che lo battezzò AdA, Anello di Accumulazione di particelle di materia e antimateria. Il prototipo dei collisori materia-antimateria

Materia e Antimateria g a a t + t - e- e+ m- m+ e+ e- E = 2mm c2 E = 2me c2 E = 2mt c2 Con i collisori si raggiungono energie molto elevate con possibilità di studiare asimmetrie tra materia e antimateria.

I discendenti di AdA nel mondo I collisori elettroni - antielettroni DCI ACO ADONE VEPP 2 DAFNE ADONE II BEPC SPEAR VEPP 4 CESR KEK B DORIS PEPII PETRA PEP LEP I LEP II Quark b Quark s DAFNE LEP al Cern ADONE I discendenti di AdA sono stati e sono numerosi, a partire da ADONE, la grande AdA di Frascati, fino a LEP al CERN di Ginevra, un anello di 27Km di circonferenza, dove fino all’anno scorso hanno circolato elettroni e antielettroni, alla massima energia mai raggiunta da questi collisori. E ancora DAFNE, a Frascati, che attualmente opera alla massima luminosità mai ottenuta alle energie di produzione del quark s.

I collisori materia-antimateria LEP al Cern di Ginevra 1988 LHC al Cern di Ginevra 2008 ADONE a Frascati nel 1969 ADA a Frascati 1959

… ma da cosa è composta la materia Costituenti materiali La Materia stabile e elettrone ne e-neutrino d down up u I m muone n m-neutrino s strange c charm II t tau n t-neutrino b bottom top III Quarks …. ovvero la materia è composta da 12 fermioni suddivisi in tre famiglie Leptoni Complessivamente oggi possiamo contare su una Teoria, chiamata Modello Standard, che interpreta tutti i fenomeni elementari osservati. In base a essa la materia che ci circonda e popola l’Universo sin dalle sue origini è fatta di quark e leptoni, organizzati in gruppi e famiglie governati da simmetrie. Anche le forze che agiscono tra loro si manifestano come particelle: i fotoni, i bosoni W e Z, i gluoni. Famiglie di materia

… ma quante famiglie ci sono ? Solo tre famiglie Numero di decadimenti Z Misura di alta precisione fatta al CERN con il collisore LEP Larghezza (DE) dello Z Massa Z (=E/c2)

u c t s e d b m I Fermioni : le masse n ne nm 1 Gev » protone 175 1.5 elettrone ne neutrino e d down u up nm neutrino m m muone c charm strange s t top tau n neutrino t b bottom . Q U A R K S L E P T O N I . » 0 4 1.8 175 0.003 0.006 0.0005 » 0 1.5 0.12 0.105 » 0 1 Gev » protone

I Fermioni : la carica elettromagnetica elettrone ne neutrino e d down u up nm neutrino m m muone c charm strange s t top tau n neutrino t b bottom Q U A R K S L E P T O N I + 2/3 - 1/3 - 1 + 2/3 - 1/3 - 1 - 1/3 - 1 + 2/3 1 = carica dell’elettrone (o protone)

Anti-materia : tutte le cariche opposte ! positrone u up d down ne neutrino e m+ muone c charm strange s nm neutrino m t+ tau b bottom n t neutrino t top - 2/3 + 1/3 + 1 Q U A R K S L E P T O N I

… e le forze ?

Le forze fondamentali Vi tiene seduti sulle sedie Forza Intensità relativa Vi tiene seduti sulle sedie Gravitazionale 1 Debole 1029 Decadimenti radioattivi Elettromagnetica 1040 Tiene insieme elettroni e protoni Forte 1043 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 l’elettrodinamica quantistica QED e il bosone di gauge è il fotone. Make a point about beta decay. It’s coming again.

I Bosoni: le masse g g Z W 1 GeV » protone 80.4 GeV 91.2 GeV fotone gluone W bosone Z bosone 80.4 GeV 91.2 GeV 1 GeV » protone

Materia e campi di Forza Vediamo ora come interagiscono le particelle di materia (o antimateria) e- g g tempo Questi diagrammi non sono soltanto rappresentazioni grafiche ma autentiche formule matematiche che ci permettono di calcolare l’intensità dell’interazione. Gli elettroni si scambiano un bosone: il fotone (il mediatore di forza ).

Piccoli Big Bang al Lep Esperimento ALEPH 1988-2001 e+ e-  m+ m- e+ e-  e+ e- e+ e-  t+ t- Esperimento ALEPH 1988-2001

Costituenti materiali Il Modello Standard Costituenti materiali Forze e elettrone ne e-neutrino d down up u I m muone n m-neutrino s strange c charm II t tau n t-neutrino b bottom top III Z bosone W g fotone gluone Quarks Mediatori di Forze Leptoni Complessivamente oggi possiamo contare su una Teoria, chiamata Modello Standard, che interpreta tutti i fenomeni elementari osservati. In base a essa la materia che ci circonda e popola l’Universo sin dalle sue origini è fatta di quark e leptoni, organizzati in gruppi e famiglie governati da simmetrie. Anche le forze che agiscono tra loro si manifestano come particelle: i fotoni, i bosoni W e Z, i gluoni. Famiglie di materia Bosone di Higgs ?

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 : mesone protone L’Energia nel campo aumenta fino a ... raggingere E=Mc2 (M=m+m) per produrre una coppia di quark e anti-quark Un quark rimarrà nel barione, mentre l’antiquark si unirà al quark strappato per formare un mesone

e u s c t e u s c t d m b d m b Contributo dell’INFN ne n ne n g W Z Materia Forze Adone a Frascati 1974 e ne d down u up elettrone e-neutrino m muone n m-neutrino s strange c charm t-neutrino t tau b bottom top e ne d down u up elettrone e-neutrino m muone n m-neutrino s strange c charm t-neutrino t tau b bottom top Z bosone W g fotone gluone Gamma Gamma2 la previsione dell’esistenza del quark c di Luciano Maiani;

Esperimento UA1 al collisore protone-antiprotone del CERN di Ginevra Contributo dell’INFN Materia Forze Esperimento UA1 al collisore protone-antiprotone del CERN di Ginevra C. Rubbia e ne d down u up elettrone e-neutrino m muone n m-neutrino s strange c charm t-neutrino t tau b bottom top Z bosone W g fotone gluone Z bosone W g fotone gluone Evento con Z° di nuovo al CERN, la scoperta dei bosoni W e Z che trasmettono la forza debole, per la quale Carlo Rubbia ha ricevuto il premio Nobel;

…e l’antimateria ? perche è scomparsa dopo il Big Bang ?

Asimmetria tra materia e antimateria studiata a Kloe e Dafne a Frascati

… perchè le particelle hanno massa ?

…. alla ricerca del bosone di HIGGS per spigare la massa LHC e il Big Bang Intanto nel tunnel del LEP sta nascendo il suo successore LHC, un collisore protone-protone che, a partire dal 2006, spingerà il potere risolutivo microscopico fino a 10 volte quello attuale, puntando innanzitutto alla scoperta della particella di Higgs. A LHC verranno anche prodotte collisioni tra nuclei di piombo, allo scopo di ricreare e studiare, su scala infinitesimale, lo stato del nostro Universo, una frazione di secondo dopo il Big Bang, quando per un istante fu tutto un plasma di quark e gluoni. …. alla ricerca del bosone di HIGGS per spigare la massa

LHC al CERN di Ginevra Apparato Atlas a LHC Evento simulato di collisione protone-protone Evento simulato di collisione piombo-piombo CMS Apparato Atlas a LHC Sono quattro i rivelatori in costruzione per gli esperimenti al collisore LHC, che vedono complessivamente impegnati oltre 5000 ricercatori e tecnologi provenienti da ogni parte del mondo, oltre 500 dall’Italia. Si tratta di grandi apparati, densi di sofisticate tecnologie – meccanica, superconduttività, criogenia, elettronica, calcolo – per rivelare e riconoscere le centinaia o migliaia di particelle che si sprigioneranno a ogni collisione tra i fasci di protoni o di nuclei di piombo, al ritmo di 40 milioni di volte al secondo. LHC-B ALICE ATLAS

Esperimento ATLAS al CERN 2007

Esperimento CMS al CERN 2007

Esperimento CMS al CERN 2007

…i collisori costano troppo … osserviamo i raggi cosmici !

Laboratori sotterranei Proprio con lo scopo di osservare il decadimento del protone, alla fine degli anni Settanta, s’inaugurò l’era dei laboratori sotterranei, con lo scopo di proteggere i rivelatori di particelle dalla pioggia dei raggi cosmici, creando le condizioni di quiete richieste dalla rarità delle osservazioni. Evento raro

Laboratori sotterranei del Gran Sasso Fu in tale contesto che Antonino Zichichi lanciò il progetto dei laboratori sotterranei del Gran Sasso, una struttura unica al mondo per il facile accesso e le dotazioni strumentali, dedicata allo studio di fenomeni rari e delle particelle cosmiche capaci di penetrare la montagna.

Osservatorio LVD al Gran Sasso Neutrini da supernove Osservatorio LVD al Gran Sasso I corpuscoli cosmici d’alta energia sono messaggeri di fenomeni violenti nell’Universo, che agiscono da acceleratori cosmici. L’interazione fondamentale che li alimenta è la gravità.

Oscillazione di Neutrini Gallex al GranSasso L’esperimento ha provato che il flusso di quel tipo di neutrini in arrivo sulla Terra è nettamente inferiore rispetto a quanto ci si aspetta a partire dal flusso d’energia solare in arrivo. Questa osservazione ha reso definitivamente concreta l’ipotesi che, nel viaggio verso la Terra, i neutrini della famiglia dell’elettrone prodotti nel Sole si trasformino in neutrini di famiglia diversa, cioè che oscillino tra le due famiglie, come ipotizzato da Bruno Pontecorvo, il che implica che i neutrini siano dotati di massa, seppure piccolissima. I neutrini si trasformano durante il lungo viaggio

Oscillazione di neutrini down u up elettrone e-neutrino m muone n m-neutrino s strange c charm t-neutrino t tau b bottom top e ne d down u up elettrone e-neutrino m muone n m-neutrino s strange c charm t-neutrino t tau b bottom top e ne d down u up elettrone e-neutrino m muone n m-neutrino s strange c charm t-neutrino t tau b bottom top e ne d down u up elettrone e-neutrino m muone n m-neutrino s strange c charm t-neutrino t tau b bottom top e ne d down u up elettrone e-neutrino m muone n m-neutrino s strange c charm t-neutrino t tau b bottom top e ne d down u up elettrone e-neutrino m muone n m-neutrino s strange c charm t-neutrino t tau b bottom top e ne d down u up elettrone e-neutrino m muone n m-neutrino s strange c charm t-neutrino t tau b bottom top e ne d down u up elettrone e-neutrino m muone n m-neutrino s strange c charm t-neutrino t tau b bottom top e ne d down u up elettrone e-neutrino m muone n m-neutrino s strange c charm t-neutrino t tau b bottom top Z bosone W g fotone gluone I neutrini sono costituenti elementari della materia, con la quale interagiscono solo attraverso la forza debole. Perciò osservarli è difficile, anche se sono estremamente abbondanti nell’Universo: attraverso un granello di sabbia in un secondo ne passano milioni. Capire il mescolamento tra i neutrini delle diverse famiglie e misurarne le masse sono temi di assoluto rilievo per la nostra conoscenza dell’Universo. Matrice di mescolamento dei neutrini Milioni di neutrini al secondo attraverso un granello di sabbia

Neutrini dal CERN al Gran Sasso neutrini prodotti con acceleratori Icarus : camera a immagine in Argon liquido Opera : camera a emulsioni fotografiche Analogo fenomeno è stato accertato per i neutrini della famiglia del muone. Il loro studio accurato sarà reso possibile dal fascio di neutrini che a partire dal 2005 verrà proiettato dal CERN di Ginevra verso le sale sotterranee dei laboratori del Gran Sasso, dove saranno installati i rivelatori Icarus e Opera. Icarus visualizzerà le traiettorie delle particelle in un grande volume di Argon liquido, un innovativo progetto lanciato da Carlo Rubbia; Opera invece studierà i segni lasciati dalle particelle in blocchi di emulsioni fotografiche, una tecnica messa a punto da un gruppo giapponese.

Progetto Antares e R&D Nemo Di nuovo in profondità, stavolta in mare, oltre i 2-3.000 metri, si è in procinto di realizzare rivelatori per l’osservazione di sorgenti cosmiche di neutrini d’altissima energia.

Ricerca di antimateria : AMS Domani Ieri Ancora più su, nello Spazio, in questo caso in assenza totale di un qualunque filtro materiale, rivelatori di particelle come AMS Italia, Cina, Germania, Finlandia, Francia, Svizzera, Taiwan, USA

Costituenti materiali La gravità Costituenti materiali Forze e elettrone ne e-neutrino d down up u I m muone n m-neutrino s strange c charm II t tau n t-neutrino b bottom top III g gluone Gravità il fantasma dell’opera Quarks g fotone Mediatori di Forze Z bosone W Leptoni Questa è la forza per noi più familiare ma, paradossalmente, i fisici teorici non sono finora riusciti a inserirla in una teoria coerente delle interazioni fondamentali. Non solo: il quanto elementare portatore della forza di gravità non è stato ancora direttamente osservato. Famiglie di materia Bosone di Higgs ?

Antenna Gravitazionale a Frascati Per rivelare onde gravitazionali emesse da supernove all’interno della nostra galassia è necessario raffreddare a pochi millikelvin (~ -273 gradi) grandi cilindri metallici

Antenne gravitazionali Barre risonanti INFN Auriga a Legnaro Explorer al CERN Nautilus a Frascati VIRGO si inserisce in una rete mondiale di progetti, che vanno visti come gli elementi di un unico telescopio terrestre, che si pone l’obiettivo di fondare l’astronomia a onde gravitazionali, basata dunque sui messaggeri della forza dominante alle distanze cosmiche.

Costituenti materiali Il Modello Standard Costituenti materiali Forze e elettrone ne e-neutrino d down up u I m muone n m-neutrino s strange c charm II t tau n t-neutrino b bottom top III g gluone Particelle supersimmetriche Quarks g fotone ? Mediatori di Forze Z bosone W Leptoni Gravitone Dalla caccia alla particella di Higgs, ai neutrini che si trasformano in volo, ai processi gravitazionali dell’Universo: tutte ricerche affascinanti, capaci di generare una profonda motivazione nei loro attori, anche verso lo sviluppo delle sofisticate tecnologie necessarie. Questo a sua volta é sorgente d’innovazione per il mondo esterno. In definitiva noi pensiamo che stia qui il segreto della ricerca di base – e della comunità che la conduce – quale sorgente primaria dello sviluppo del Paese, e questo ci spinge a una serrata e sempre più organizzata azione di trasferimento di conoscenza al sistema produttivo. ? Famiglie di materia Bosone di Higgs ?

… ma ci serve a qualche cosa tutto questo?

Ricadute tecnologiche : Il WWW 1990 : nasce il WWW al CERN Fra le tante sfide tecnologiche del progetto LHC c’é quella legata allo sviluppo del sistema di calcolo, che richiede una potenza ben superiore di quella semplicemente estrapolabile dall’attuale. La comunità dei fisici subnucleari ha già colto un importante successo al CERN con lo sviluppo del Web, il familiare www, nato per permettere un pronto scambio di dati e diventato, con sorprendente rapidità, un canale di comunicazione universale. La biblioteca mondiale

Ricadute sulla fisica medica : la PET Immagini del cervello Collaborazioni INFN -Policlinico di Tor Vergata