L’Universo visibile e invisibile Marco G. Giammarchi Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Via Celoria 16 – 20133 Milano (Italy) marco.giammarchi@mi.infn.it http://pcgiammarchi.mi.infn.it/giammarchi/ La storia di tutto 2. L’Universo a particelle 3. L’Universo visibile L’Universo invisibile Varese - Aprile 2019

La storia di tutto La storia di tutto 2. L’Universo a particelle 3. L’Universo visibile L’Universo invisibile Lo schema con cui si descrive la nascita e l’evoluzione dell’Universo è quello del BIG BANG Una grande espansione Varese - Aprile 2019

Visualizzazione con il modello del palloncino: L’Universo è la superficie del pallone (solo la superficie!) Ogni punto si allontana da ogni altro punto (in realtà: si crea più spazio) Ogni punto (legittimamente) ritiene di essere al centro dell’universo Universo a due dimensioni immerso in uno spazio a tre dimensioni Questo universo è finito Per chi lo abita non esiste un esterno E’ una espansione di «tutto» E la velocità della luce? Varese - Aprile 2019

Una espansione dello spazio a 4-dimensioni Si parte da una condizione iniziale E’ una condizione di espansione veloce, simile a una esplosione Si ricevono «raggi di luce» da tutte le direzioni. Li abbiamo ricevuti per 13.8 miliardi di anni, l’età dell’universo. Ma l’universo ha regioni di spazio che (oggi) 40 miliardi di anni luce di distanza. Queste regioni non sono più realmente in «contatto» con noi. Varese - Aprile 2019

13.8 Miliardi di anni Composizione dell’universo maturo Composizione dell’universo primordiale Varese - Aprile 2019

13.8 miliardi di anni di espansione (13.8 miliardi di anni luce di universo osservabile) Strutture (oggi) situate a 15 miliardi di anni luce già non riescono più a inviarci luce per via dell’espansione 40 miliardi di anni luce di spazio esistente (ma non osservabile) Varese - Aprile 2019

L’Universo a particelle La storia di tutto 2. L’Universo a particelle 3. L’Universo visibile L’Universo invisibile Varese - Aprile 2019

Molto piccolo e molto grande Varese - Aprile 2019

Varese - Aprile 2019

L’Universo come un grande Efesto: formatore degli elementi 150 anni di Mendeleev Varese - Aprile 2019

L’Universo visibile La storia di tutto 2. L’Universo a particelle L’Universo invisibile Varese - Aprile 2019

Diviene visibile Varese - Aprile 2019

Si è originata quando l’universo aveva 350 mila anni di età La radiazione cosmica di fondo è una delle prove del Modello del Big Bang Si è originata quando l’universo aveva 350 mila anni di età Ed era 1000 volte più piccolo di ora Planck Varese - Aprile 2019

L’Universo invisibile La storia di tutto 2. L’Universo a particelle 3. L’Universo visibile L’Universo invisibile Materia Oscura (1935) Energia Oscura (1998) Varese - Aprile 2019

Materia Oscura Sistema Solare La galassia (anche la nostra) Distributione della velocità nelle stele della galassia Stelle periferiche della Galassia hanno velocità superiori al caso Kepleriano (Zwicky, 1933) Varese - Aprile 2019

Energia Oscura In M31 la Materia Oscura non si vede. Quella che si vede è soprattutto in forma di stelle Varese - Aprile 2019

Varese - Aprile 2019

La Cosmologia e il Big Bang Il red-shift (espansione cosmica) La nucleosintesi primordiale La radiazione cosmica di fondo La Relatività Generale L’Inflazione La composizione dell’Universo conta! Varese - Aprile 2019 Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 18 18

Grazie per l’Attenzione Conclusioni L’Universo è iniziato a partire da una condizione molto particolare: quella descritta dal modello del Big Bang L’Universo è un concetto non univoco L’Universo ha una evoluzione che dipende dal suo contenuto Conosciamo molto del suo passato, poco della sua composizione Conosciamo molto del suo futuro Anche grazie alla fisica Grazie per l’Attenzione Varese - Aprile 2019

Varese - Aprile 2019

Varese - Aprile 2019

Decadono in particelle stabili Costituenti fondamentali della materia: Quark e Leptoni Materia ordinaria Sono elementari al meglio di 10-18 m Hanno spin e carica ben definiti Costituiscono la materia in condizioni ordinarie Massa Costituiscono le particelle instabili Decadono in particelle stabili Varese - Aprile 2019

Continua trasformazione di energia in massa e viceversa Le particelle elementari, urtandosi tra di loro, creano altre particelle Continua trasformazione di energia in massa e viceversa Varese - Aprile 2019 23

Le forze fondamentali in natura Gravità Forza nucleare forte Forza nucleare debole Idea guida: spiegare tutti i fenomeni fondamentali con queste interazioni Elettromagnetismo Varese - Aprile 2019 24 24

Azione istantanea a distanza Campo (Faraday, Maxwell) Il concetto di forza In fisica classica: Azione istantanea a distanza Campo (Faraday, Maxwell) In fisica quantistica Scambio di quanti Varese - Aprile 2019

Elettromagnetismo Riguarda tutte le particelle dotate di carica elettrica (quark, leptoni, W) Responsabile del legame tra particelle cariche:ad esempio la stabilita’ atomica Costante di accoppiamento: carica elettrica Raggio di azione della forza: infinito La teoria classica: equazioni di Maxwell (1861) F: Tensore campo elettromagnetico J: 4-corrente Varese - Aprile 2019 26 26

Gravità Riguarda tutte le forme di energia (tra cui la massa) dell’Universo Responsabile del legame tra corpi macroscopici Teoria di campo classica (Newton, 1687) per le masse. Potenziale gravitazionale Densita’ di massa Teoria di campo “geometrizzata” (Einstein, 1915) Relativita’ Generale Il principio di equivalenza tra massa inerziale e massa (carica) gravitazionale ha permesso di considerare la gravita’ come una proprieta’ del background spaziotemporale) Lontano da masse/energie (spaziotempo piatto) Tensore di Einstein Costante cosmologica Tensore Energia-Momento Tensore Metrico Varese - Aprile 2019 27 27

Forza Nucleare Forte Agisce tra i quark che costituiscono gli adroni PROTONE Responsabile della stabilità degli adroni (barioni, mesoni) Si attribuisce ai quark una carica (il colore) NEUTRONE Mediata dai GLUONI Mediata dai GLUONI Varese - Aprile 2019 28 28

Una storia termica dell’universo Particelle/Antiparticelle libere Una storia termica dell’universo Varese - Aprile 2019 Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 29 29

Una storia termica dell’universo Particelle/Antiparticelle libere Queste reazioni creano e distruggono particelle/antiparticelle in ugual numero Quando l’energia scende non è più possibile creare coppie particella/antiparticella. Invece tali coppie si possono distruggere: Una storia termica dell’universo Varese - Aprile 2019 Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 30 30

Una storia termica dell’universo Particelle/Antiparticelle libere Reazioni di questo tipo dovrebbero aver mantenuto uguale il numero di particelle e antiparticelle Al diminuire di T solo la 1 resta possibile e tutte le particelle/antiparticelle si annichilano in energia Una storia termica dell’universo Varese - Aprile 2019 Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 31 31

Ma l’Universo non è vuoto. Contiene MATERIA e non ANTIMATERIA ! Un processo fisico ha alterato il rapporto tra materia e antimateria nei primi istanti, creando un poco (pochissimo) di materia in più Varese - Aprile 2019 Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 32 32

Acceleratori terrestri e cosmici Affinche’ sia possibile creare/distruggere particelle elementari, occorre fornire energia concentrata in dimensioni piccolissime. Questo avviene negli acceleratori di particelle terrestri. O negli acceleratori cosmici. Acceleratore di particelle Pulsar Varese - Aprile 2019 33

e possono interagire nell’atmosfera. Sono i Raggi Cosmici Tra gli acceleratori galattici piu’ efficienti…. I Nuclei Galattici Attivi (AGN’s) Un AGN puo’ accelerare particelle che attraversano milioni di anni luce di spazio (che e’ quasi vuoto) Le particelle accelerate dagli AGN possono raggiungere il Sistema Solare e la Terra. e possono interagire nell’atmosfera. Sono i Raggi Cosmici Varese - Aprile 2019 34

4. Modello Standard Una discussione introduttiva Il Modello Standard e’ una descrizione fisica delle particelle elementari e delle interazioni che avvengono tra di loro Si tratta di una delle piu’ grandi conquiste concettuali del secolo scorso, frutto dello sforzo teorico e sperimentale di migliaia di fisici Il Modello Standard descrive i costituenti elementari e in modo rigoroso ed essenzialmente completo (ed unificato) l’interazione elettromagnetica e debole. In modo rigoroso ma non ancora completo anche le interazioni forti Il Modello Standard descrive particelle che sono state tutte osservate sperimentalmente (il più recente: IL BOSONE DI HIGGS) Varese - Aprile 2019 35

Le Interazioni Fondamentali Gravità Elettro magnetismo Debole Forte Gravitone Fotone W,Z 8 Gluoni Spin 2 1 Massa 82,91 GeV Range ∞ 10-18 m 10-15 m Source Mass Electric charge Weak charge Color Coupling Constant (proton) 10-39 1/137 10-5 1 GeV Cross Section 10-29 cm2 10-42 cm2 10-27 cm2 Lifetime for decay 10-19 s 10-8 s 10-23 s Varese - Aprile 2019 36 36

3 famiglie Proprietà dei costituenti: Quark: carica elettrica colore massa efficace spin (1/2) Leptoni: carica elettrica massa spin (1/2) IMPORTANTE: 3 famiglie Tutti i costituenti (Quark, Leptoni) sono Fermioni. Portatori di forza Costituenti della materia Varese - Aprile 2019 37 37

Interazioni tra i costituenti Nel Modello Standard la funzione (di Lagrange) si potrebbe scrivere come : Interazioni tra i costituenti Costituenti In questo modo le masse dei costituenti scritte in modo esplicito nella funzione di Lagrange del Modello Standard …..MA questa Lagrangiana è non rinormalizzabile (non trattabile matematicamente) !! Varese - Aprile 2019 38

Un successo epocale per la Fisica delle Particelle La scoperta del Bosone di Higgs (2012)  l’ipotesi teorica viene confermata sperimentalmente 48 anni dopo la sua formulazione ! Un successo epocale per la Fisica delle Particelle (Giovedì, stessa ora, stesso posto. Uno dei protagonisti di questa scoperta ce la racconterà in dettaglio) Tutte le particelle del Modello Standard sono state osservate e tre delle quattro interazioni fondamentali vengono descritte in un quadro unificato e coerente. Varese - Aprile 2019

2. Astronomia con fotoni Introduzione Astronomia con fotoni Raggi Gamma Raggi Cosmici Neutrini Onde Gravitazionali Metodi ottici. I telescopi. Ma anche sfruttando una gamma molto estesa dello spettro elettromagnetico. In fondo, cosa è un fotone ? Un portatore del campo ondulatorio elettromagnetico. Può avere lungheze d’onda diversissime Cambia la frequenza, ma sempre di fotoni si tratta ! Varese - Aprile 2019

Astronomia ottica (esempio) L’Astronomia dei grandi telescopi ottici (anche nello spazio, come Hubble) Keck Riflettori da 3 m Keck a Mauna Kea (Hawaii) Varese - Aprile 2019

La scoperta della Radiazione Infrarossa (William Herschel,1800) Astronomia infrarossa (esempio) La scoperta della Radiazione Infrarossa (William Herschel,1800) Immagine infrarossa della Nebula Carina osservata dalla Wide Field Camera 3 dello Hubble Telescope. Lo spettro infrarosso è fortemente assorbito dall’atmosfera, rendendo spesso necessaria la rivelazione nello spazio. Varese - Aprile 2019

Varese - Aprile 2019

1930: prima rivelazione di radiazione radio dalla Via Lattea Radioastronomia (esempio) 1930: prima rivelazione di radiazione radio dalla Via Lattea Planck Sistema interferometrico VLA, New Mexico M87 nell’ottico e nel Radio Varese - Aprile 2019

Astronomia X (esempio) 1962: prima scoperta di radiazione X proveniente da sorgenti cosmiche (Riccardo Giacconi) Planck Molto utile per studiare gli oggetti altamente energetici dell’Universo L’osservazione di uno stesso oggetto astronomico in diverse lunghezze d’onda fornisce una incommensurabile ricchezza di informazioni Varese - Aprile 2019