Alcuni metodi di indagine usati in fisica subnucleare La Fisica delle particelle studia l’infinitamente piccolo ma attraverso di esso cerca anche di far luce sull’infinitamente lontano nel tempo: le origini dell’Universo. I fisici pensano che ci fu un tempo in cui le quattro forze fondamentali della Natura erano unificate e le particelle non si erano ancora combinate nella materia con le sue diverse forme. La teoria del Big Bang traccia all’indietro l’origine dell’Universo, la separazione tra le forze e la formazione delle particelle e della materia. Il sogno del fisico delle particelle è di descrivere la Natura in termini di pochi mattoni fondamentali e di interpretare i differenti tipi di interazione all’interno di un’unica semplice teoria unificata. La collisione di un fascio di particelle di alto impulso su un bersaglio è, dai tempi degli esperimenti di Rutherford (1909-1910) che condussero alla scoperta dell’esistenza del nucleo atomico, uno dei metodi più efficaci per “sondare” l’eventuale struttura interna del bersaglio. Alternativamente fasci di particelle ad alto impulso vengono fatti circolare in senso opposto in acceleratori circolari e fatti scontrare in zone dove sono istallati i rivelatori di particelle. L’alta densità di energia di collisione realizzata negli acceleratori riproduce le condizioni di alta temperatura esistenti ai primordi dell’Universo, subito dopo il Big Bang. In altri casi, fasci estratti di particelle, ad es. neutrini, vengono indirizzati verso appositi apparati di rivelazione degli eventi di interazione prodotti con i mezzi materiali attraversati. In altri casi ancora, la sorgente di particelle è l’Universo e sono adoperati speciali apparati di rivelazione in superficie in alta quota o in laboratori sotterranei al fine di selezionare il più possibile il tipo di eventi interessanti. Oltre ai temi di ricerca specifici della fisica delle particelle, vengono sviluppati, nel corso della sperimentazione, molti settori ad alta tecnologia, quali: rivelatori di particelle, magneti superconduttori, sistemi automatici di misura e di controllo, sistemi di acquisizione dati, informatica, elettronica, reti di comunicazioni, spesso in stretta collaborazione con le industrie del settore. Qual è l’origine delle masse? Esiste la particella di “Higgs” ? I neutrini hanno massa ? Esistono le oscillazioni di neutrini ? Come si spiega la “quantizzazione” della carica elettrica ? Qual è la natura della “materia oscura”, la materia invisibile nell’Universo ? Esistono solo tre famiglie simili di quark e leptoni ? Sono quark e leptoni veramente puntiformi o hanno essi stessi struttura interna? Esiste un’asimmetria nelle proprietà della materia e dell’antimateria ? Perché osserviamo un Universo fatto quasi solo di materia ? Come si può includere la gravitazione in una teoria unificata ? Esistono le particelle supersimmetriche, speculari alle particelle “normali” ? Problemi aperti Alcuni metodi di indagine usati in fisica subnucleare Collisionatore circolare NOI SIAMO QUI Protogalassia Galassia a spirale Atomo pesante Stella pesante Buco Nero Atomo di idrogeno Atomo di elio Nucleo di elio Il Deserto Prime Supernovae PRESENTE Formazione di stelle e galassie L’ Universo diventa trasparente Separazione di Formazione materia e degli radiazione atomi Nucleosintesi dell’ elio Scomparsa dei positroni Confinamento del quark Formazione di protoni e neutroni Scomparsa degli antiquark EPOCA ELETTRODEBOLE Epoca QUARK dei LEPTONI Asimmetria Q-Q L-L Monopoli magnetici ? Inflazione cosmica ? GRANDE UNIFICAZIONE della GRAVITA’ QUANTISTICA 15 miliardi di anni 5 miliardi 1 miliardo 1013 sec 102 sec 10-10 sec 10-34 sec FOTONI 10-43 sec