La scoperta delle particelle strane Arturo Russo Dipartimento di Fisica e Tecnologie Relative Università di Palermo AIF – Scuola di Storia della Fisica, 2005

Le particelle elementari (1947) Materia e radiazione Protone (p),neutrone (n), elettrone (e-), fotone (g) Forze nucleari Pione (mesone p) Anti-elettrone Positrone (e+) Decadimento beta Neutrino (n) (teorica) Decadimento del pione Muone (mesone m) p  m  e

I raggi cosmici (1947)

La scoperta delle particelle V (George Rochester e Clifford Butler) 15 ottobre 1946 23 maggio 1947 (2 fotografie tra 5000)

Un mesone pesante Massa delle V  1000 me Massa del pione 273 me Massa del muone 207 me Massa del protone 1840 me

Una scoperta casuale ? The result of good fortune, good science and the right technique (G. Rochester) Clifford Butler

Il laboratorio di Blackett a Manchester Patrick Blackett L. Janossy, D. Broadbent e G. Rochester

L'observatoire du Pic du Midi

Pic du Midi (Settembre 1949) Beppo Occhialini Patrick Blackett

Il magnete al Pic du Midi Luglio 1950

La conferma dalla California (Novembre 1949) 34 eventi di tipo V in 11.000 fotografie in camera a nebbia 30 eventi mostrano il decadimento di una particella neutra in due cariche 4 eventi mostrano il decadimento di una particella carica in una seconda particella carica più, presumibilmente, una neutra 6 eventi (tutti del primo tipo) a Pasadena, 28 sulla White Mountain (3200 m s.l.m.) Carl Anderson

Un'altra scoperta … o la stessa? Cecil Powell 1950-51: si conferma t  p + p+ + p- mt  1000 me

La grande stagione dei "cosmiciens" (1947-1955) Montagnes, ballons, avions: le physiciens ont connu una dernière époque aventureuse, un dernier bain de nature, avant le grand enfermement dans le beton des accélérateurs (La matière première, 1987) Michel Crozon

La ricerca di un quadro coerente (1950 – 1955) La natura come laboratorio, spirito d'avventura e disponibilità a lavorare in condizioni disagiate Paziente lavoro di raccolta e interpretazione delle tracce, classificazione sistematica degli eventi, ricerca di una nomenclatura razionale Confronto tra risultati ottenuti da diversi gruppi di ricercatori in convegni e congressi Vari laboratori europei e americani impegnati in un'attività che richiama lo spirito e i metodi del naturalismo ottocentesco

La fisica dei raggi cosmici in Europa negli anni '50 Scuola di formazione della nuova generazione di fisici sperimentali Solidarietà e collaborazione internazionale Orgoglio di fronte alla sfida dei grandi acceleratori americani

Due interpretazioni della nascita della "big physics" Ad alta intensità di capitale negli Stati Uniti, sull'onda del progetto Manhattan (grandi laboratori e grandi macchine) Ad alta intensità di lavoro nell'Europa che emerge dalle rovine della guerra (collaborazioni internazionali ed emulsioni nucleari)

I risultati del Pic du Midi (1950 - 1952) Due tipi di particelle V neutre (V°): V°1  p+ + p- (massa  2200 me) V°2  p+ + p- (massa  800 me) Due ipotesi sulle particelle V cariche: V  m + p0 + n oppure V  m + n + n (massa  1100 –1200 me)

Conferme per le V neutre (Rochester conference 1952) I risultati del Pic du Midi per le V neutre sono confermati da quattro gruppi americani: Caltech (Carl Anderson e coll.) Indiana University (Robert Thompson e coll.) Berkeley (William Fretter) MIT (Bruno Rossi e coll.)

La camera "multiplate" B. Rossi (1953) W. Fretter (1951)

Problemi per le V cariche "Particelle […] che decadono in volo in camera a nebbia producendo una caratteristica traccia biforcuta a grande angolo" (Rochester e Butler, 1953) Dopo l'iniziale osservazione del 1947, altre ne erano state osservate da vari gruppi, ma le particelle cariche erano molto più rare di quelle neutre e le ipotesi molto più controverse.

Un decadimento a cascata Pic du Midi (1952) (confermato a Caltech) Y-  V01 + p- V01  p+ + p- (Massa  2600 me)

Le particelle K degli emulsionisti (circa 1953) t  p + p+ + p- mt  970 me k  m + ?0 + ?0 mk  1125 me   p + ?0 m  900 - 1000 me e m k Jungfraujoch ?0 ?0

Quale relazione tra le particelle V in camera a nebbia e le particelle K nelle emulsioni nucleari ? Probabilmente k e V sono la stessa particella, caratterizzata da un decadimento in 3 particelle di cui una carica, probabilmente m

Le particelle S di MIT (1952-53) 33 eventi in 22.000 foto Decadimento da ferma ("stopped") Massa  1000-1500 me Probabile decadimento: m/p + ?0

Le conclusioni di Rossi e coll. S = V =  Decadimento in 2 particelle, di cui una carica (p o m)

La situazione si presentava affascinante, ma nello stesso tempo caratterizzata da una enorme confusione ! G. Rochester, 1989

Bagnères de Bigorre (Luglio 1953)

I nomi e le cose Mesoni leggeri (L): pione (p) e muone (m) Mesoni pesanti (K): particelle di massa intermedia tra quella del pione e quella del protone (V, S, k, , t, ….) Iperoni (Y): particelle di massa maggiore di quella del neutrone (Y-, …) Lettere greche maiuscole per gli iperoni e minuscole per i mesoni

Un primo quadro per gli iperoni (1953 – 1954) V01: L0  p+ + p- (massa 2181 me) Y- : -  p- + L0 (massa  2600 me) S+  p+ + p0 n + p+ (massa  2300 me) S-  n + p- (da Brookhaven) S0  n + p0 (scoperta nel 1957)

Quanti mesoni K? (La situazione a Bagnères de Bigorre) Dalle camere a nebbia V02  p+ + p- (massa 971 me) V  m + ?0 + ?0 (massa  1100-1200 me) S  m + ?0 + ?0 (massa  1000 me) (da nuovi dati di MIT, una delle ?0 probabilmente g) Dalle emulsioni ( 50 eventi) t  p + p+ + p- (massa 966 me) t'  p + p0 + p0 (presumibilmente  t) k  m + ?0 + ?0 (massa 1125 me)   p + ?0 (massa  900-1000 me)

Particelle diverse o una sola particella con diversi modi di decadimento?

Le conclusioni di B. Rossi a Bagnères de Bigorre "Due particelle dovrebbero essere considerate identiche finché non si sarà provato che sono differenti" B. Rossi, G. Bernardini, E. Fermi

Quindi …. Un mesone K neutro: V02 : 0  p+ + p- Un solo mesone K carico con due modi di decadimento: k  m + n + g t  3p La particella   p + ?0 non esiste

Ma …. I fisici di Bristol sono ragionevolmente convinti dell'esistenza della particella . La massa della particella k (1125 me) è maggiore di quella della particella t (966 me). Eccetera ….

Nuovi risultati (1954-55) Da MIT sulle particelle S Dagli emulsionisti sui mesoni K Dalla camera a nebbia di Princeton a Echo Lake (Colorado) Echo Lake +  p+ + p0 p0  e+ + e- + e+ + e- (massa  970 me)

Di conseguenza….    0  p+ + p-   p + p0 Si conferma l'esistenza della particella  e si può anche concludere che    Un unico mesone pesante  con tre stati di carica che decade in una coppia di pioni: 0  p+ + p-   p + p0

Il nuovo quadro dei mesoni K carichi Simbolo Decadimento Massa t 3p 966 me  () 2p  970 me k m + ?0 + ?0 1125 me

Sono la stessa particella? Il "-t puzzle" Le particelle  e t: hanno la stessa massa hanno la stessa vita media decadono entrambe producendo pioni? Sono la stessa particella?

No, perché lo stato di tre pioni prodotto dal decadimento della t differisce in momento angolare e/o parità dallo stato di due pioni prodotto dal decadimento della  Richard Dalitz In emulsioni ad alta quota (palloni) In camere a nebbia ad alta quota (montagna) Dalitz plot

Ma è vero che la parità si conserva nei decadimenti prodotti da interazione debole ? Nessuna prova sperimentale ! Tsun Dao Lee Chen Ning Yang (1956)

No, la parità non si conserva nelle interazioni deboli ! Chien-Shiung Wu n  p + e-  m  e L0  p + p- Richard Garwin Leon Lederman

"Con l'arrivo della primavera del 1957 risultò del tutto certo che parità [P] e coniugazione di carica [C] sono violate nei processi dovuti a interazioni deboli ovunque si guardasse. E inoltre gli effetti erano macroscopici" Abraham Pais Sembrava invece confermata l'invarianza PC, ovvero la simmetria rispetto a riflessione spaziale e contemporanea coniugazione di carica. Nel 1964, arriverà da Brookhaven che anche questa simmetria viene violata nel decadimento dei mesoni K neutri.

L'arrivo di "Camus“ (1954) Il nuovo apparato sperimentale dell’Ecole Polytechnique al Pic du Midi trova ottima evidenza dell’esistenza di una particella Km: Km  m + n (m  935 me) certamente diversa dalla k degli emulsionisti di Bristol (che decade in tre corpi e ha massa maggiore) Charles Peyrou Bernard Gregory

Quanti mesoni K carichi? Simbolo Decadimento Massa t, t’ 3p 966 me  () p + p0  970 me k m + ?0 + ?0 1125 me Km m + n 940 - 950 me

Si può semplificare?   2p t/Km m + n Pur mantenendo la differenza tra t e , sembrava che si potesse ricondurre tutto a due mesoni K: 3p   2p t/Km m + n Ma la k, con la sua grande massa non sembrava potesse rientrare in questo schema semplificato.

La sfida degli emulsionisti europei: Risolvere il problema una volta per tutte prima dell'arrivo degli acceleratori americani

"Dobbiamo far presto, dobbiamo correre senza rallentare il ritmo perché siamo incalzati dalle macchine […] Sappiamo che potremmo andare a riposarci in campagna per sei mesi e al nostro ritorno sapremo da Brookhaven la verità sui problemi di cui abbiamo discusso […] L. Leprince-Ringuet Ci troviamo, credo, nella posizione di un gruppo di alpinisti che scalano una montagna molto alta e ci inerpichiamo in condizioni sempre più difficili. Ma non possiamo fermarci a dormire perché, proveniente dal basso, sotto di noi, si sta sollevando una marea, un'inondazione, un diluvio che cresce continuamente e ci costringe a salire sempre più in alto."

Un problema di “range” In un decadimento a due corpi (Km) con una particella neutra di massa nulla (n), lo spettro dei muoni è sostanzialmente monoenergetico, corrispondente a un range ~ 90 gr/cm2. E’ quello che hanno osservato al Pic du Midi e a Echo Lake (MIT). In un decadimento a tre corpi (k), lo spettro è continuo, e così anche la distribuzione dei range dei mesoni. E’ quello che hanno osservato gli emulsionisti di Bristol.

Il G-Stack experiment (ottobre 1954) Per osservare un muone che attraversa ~ 100 gr/cm2 di materia prima di decadere occorrono almeno 20 cm di emulsione nucleare. C. Powell e G. Occhialini

L’avventura degli esperimenti in pallone (1952, 1953, 1954)

I risultati del G-Stack Decadimento Frequenza (%) Massa (me) Km  m + n 50 - 70 954 - 977  ()  p + p0 15 - 30 966 - 972 Kb  e + ?0 + ?0  9 k  m + ?0 + ?0  3

Un unico mesone K Si conferma così la sostanziale identità di t e Km e quindi, dopo la soluzione del puzzle -t e l’arrivo dei primi risultati dal Bevatrone di Berkeley, di tutti i mesoni K.

Arriva il tempo dei teorici e delle grandi macchine Arriva il tempo dei teorici e delle grandi macchine. La grande stagione dei "cosmiciens" nella fisica delle particelle elementari è terminata