Viaggio nel mondo delle particelle MasterClasses 2011: Viaggio nel mondo delle particelle Lecce, 22 marzo 2011

Hands on Particle Physics International Masterclasses for High School Students http://www.physicsmasterclasses.org Benvenuti nell’affascinante mondo della Fisica delle Particelle Elementari ! Come tanti altri ragazzi da vari istituti scolastici europei, oggi farete con noi un viaggio nell’infinitamente piccolo. Michele Bianco , Edoardo Gorini , Margherita Primavera , Andrea Ventura Annalisa De Lorenzis , Luigi Longo , Marilea Reale Dipartimento di Fisica dell’Università del Salento – Sezione di Lecce dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare

Dall’infinitamente grande all’infinitamente piccolo Cosa vediamo… …e come lo vediamo La Fisica delle Particelle Elementari permette di studiare l’Universo, da dimensioni <10-16 m fino alle scale intergalattiche (>1025 m)

Qualche nozione preliminare Energia E misurata in eV Momento p misurato in eV/c Massa a riposo m0 misurata in eV/c2 Quanta energia è 1 eV? 1 eV = 1.6·10-19 J  1 eV/c2 = 1.8·10-36 kg mape = 1 g = 5.8·1032 eV/c2, vape = 1 m/s  Eape = 10-3 J = 6.25·1015 eV ELHC = 14 TeV = 14·1012 eV… ma di un solo protone! Con 1014 protoni da 14 TeV  108 J, come un camion da 100T che va a 120 km/h Qualche lunghezza tipica: 1 nm = 10-9 m (lunghezza d’onda luce verde: 500 nm) 1 A = 10-10 m: dimensione dell’atomo 1 fm = 10-15 m: dimensione del protone

La storia dell’Universo Le nostre attuali conoscenze portano a una coerente descrizione dell’universo e della sua evoluzione nei sui 14 miliardi di anni

I costituenti “ultimi” della materia Da sempre l’uomo ha cercato di ricondurre la realtà circostante a un piccolo numero di costituenti. Il primo successo lo si deve a Mendeleev che inserisce gli elementi allora noti nella Tavola periodica degli elementi chimici. Questo schema evidenzia la periodicità delle loro proprietà. L’esistenza di tale simmetria suggerisce una possibile struttura interna

? La struttura atomica Dal 1895 al 1900: scoperta dei raggi X (W. Roentgen) scoperta della radioattività naturale (P.&M. Curie, H. Becquerel) scoperta dell’elettrone (J. J. Thomson) Nel modello di Thomson: un numero Z di elettroni una distribuzione continua di cariche positive Esperimento di Rutherford ?

Cosa tiene unito l’atomo? L’interazione (o forza) elettromagnetica avviene tra particelle cariche, come protoni e elettroni tramite lo scambio di fotoni. protone elettrone e p g fotone L’Elettrodinamica Quantistica (QED) è una teoria di grande successo capace di descrivere quantitativamente (e prevedere) tali fenomeni con grande precisione.

Il nucleo atomico Negli anni successivi si scoprì l’esistenza degli isotopi (elementi con lo stesso numero di elettroni ma diversa massa) Problemi con il momento angolare intrinseco (spin) dei nuclei Anche il nucleo è un sistema composto da Z protoni e da A-Z neutroni Ma in presenza della sola forza elettromagnetica non potrebbe essere stabile! La forza elettromagnetica non può tenere uniti i nuclei atomici poiché i protoni si respingerebbero e i neutroni hanno carica nulla. È stata introdotta l’interazione forte.

Fenomeni di radioattività In natura vengono osservate numerose transizioni da nuclei instabili a nuclei stabili più leggeri, con conseguente emissione di vari tipi di radiazione Transizione  : emissione di nuclei di elio (formati da due protoni e due neutroni) Transizione  : emissione di un elettrone (e–) e di un neutrino () Transizione  : emissione di radiazione elettromagnetica molto energetica (fotoni)

Scoperta dell’antimateria A conferma della teoria di Dirac che prevedeva stati a energie negative, nel 1931, dallo studio dei raggi cosmici, Anderson scoprì il positrone, l’antiparticella dell’elettrone Se una particella e la sua antiparticella interagiscono, si annichilano producendo energia E = 2mec2 e – + Avviene anche il contrario: un fotone può produrre una coppia e+e– e + – A ogni particella corrisponde un’antiparticella, con medesima massa e vita media. Talvolta coincide con la particella stessa (0,)

Una miriade di particelle Dagli anni ’30 in poi sono state scoperte tantissime nuove particelle, sia nelle interazioni dei raggi cosmici, sia dalla collisione di fasci prodotti dagli acceleratori. Esse si distinguono in due categorie principali: Leptoni (che non agiscono in modo forte) Adroni (che risentono dell’interazione forte) Gli adroni possono classificarsi in sistemi aventi simmetrie Anche in questo caso potrebbe esserci una struttura interna

L’ipotesi dei quark n p u d 1962: il Modello a quark spiegò le simmetrie osservate. Carica elettrica frazionaria (+2/3 e -1/3) Tre stati diversi (colori) per ogni quark Adroni composti da 3 quark (barioni) o da coppie quark-antiquark (mesoni). Non ci sono quark liberi (sono confinati negli adroni) Esempi: neutrone e protone: Barioni ( qqq ) Antibarioni ( qqq ) Mesoni ( qq ) _ _ _ _ quarks 2 3 e + 1 – carica u d p n

Verso l’infinitamente piccolo

Tre generazioni di quark e di leptoni Nel frattempo, dopo numerose scoperte, ci si accorse che oltre ai quarks u e d (componenti di protoni e neutroni) e agli elettroni e e i loro neutrini e , esistono altre due generazioni di quark e di leptoni, con analoghe proprietà, ma masse crescenti. massa Materia ordinaria

Le interazioni fondamentali Riassumendo, esistono quattro forze fondamentali : Gravitazionale Debole Elettromagnetica Forte Sono mediate dallo scambio di particelle Determinano la coesione della materia e il suo decadimento

Il Modello Standard 1967: S. Weinberg e A. Salam (e in modo indipendente anche S. Glashow) unificarono le interazioni elettromagnetica e debole. La mediazione dell’interazione e.m. è affidata al fotone (), neutro e senza massa, quella dell’interazione debole richiede invece tre “bosoni” massivi (W+, W–, Z). Per spiegare la massa non nulla dei suddetti bosoni, la teoria prevede il meccanismo di Higgs (rottura spontanea della simmetria), da attribuire a un altro bosone neutro, l’Higgs (H) tuttora ricercato da tutti gli esperimenti

Il decadimento del neutrone W e – d u  Le interazioni tra le particelle elementari sono descrivibili tramite i diagrammi di Feynman

Cosa accade in una collisione protone protone Il caso di LHC: protone-protone Energia: E1 Energia: E2 Ciascun protone ha energia: E la celebre equazione di Einstein dice: p è il momento È tanto più alto quanto maggiore è la velocità c è la velocità della luce … pertanto …

Cosa accade in una collisione protone protone Prima: Dopo: Energia: E1 Energia: E2 Più elevata è l’energia nella collisione, e con maggior probabilità si creano nuove particelle Dall’energia 2E si formano nuove particelle (note o non note)

Decadimento della Z Tra le particelle prodotte nelle collisioni può esserci la Z. Come tutte le particelle massicce, la Z decade, ma è impossibile sapere in anticipo in quale tipo di particelle decadrà. Si può solo dire che la Z ha una certa probabilità di decadere in un certo tipo di particelle, e tali probabilità di decadimento possono essere calcolate teoricamente nel Modello Standard Una Z può decadere in: due elettroni (Z0→ e+ + e-) due muoni (Z0→ μ+ + μ-) due leptoni tau (Z0→ + + - ) due neutrini (Z0→  + ) (=e, μ, ) due quark (Z0→ q + q ) (q=u,d,c,s,b ma non t che è troppo pesante) ~3,3 % ~3,3 % ~10 % ~3,3 % INVISIBILE! ~20 % ~70 %

Vi saranno anche eventi simulati con particelle finora mai osservate! Decadimento della Z Oggi cercheremo di individuare i decadimenti della Z in coppie di muoni o in coppie di elettroni. Scorreremo un elevato numero di eventi reali registrati all’acceleratore LHC, e tra questi dovremo trovare i segnali di Ze e e di Zm m Vi saranno anche eventi simulati con particelle finora mai osservate!

Cinematica dei decadimenti Ogni particella ha una quantità di moto (vettoriale) p ed un’energia (scalare) E pari a In un decadimento, ad esempio Z→ m+ m– , quantità di moto e energia DEVONO conservarsi. Ciò deve essere vero in qualsiasi sistema di riferimento, ed in particolare in quello in cui la Z è ferma

La massa invariante L’equazione può essere riscritta come Pertanto se conosciamo la cinematica delle particelle finali (cioè le loro quantità di moto, le energie e chiaramente le loro masse), siamo in grado di determinare la massa della particella decaduta. Considerando la cinematica di coppie di leptoni-antileptoni possiamo verificare l’ipotesi che esse provengano proprio dal decadimento della Z … o di “nuove particelle”!

Il Modello Standard non basta Il Modello Standard finora ha retto a moltissime verifiche sperimentali, ma ancora non risponde a tante domande: Qual è l’origine delle masse delle particelle? Il bosone di Higgs esiste? Perché l’ultimo dei quark (il top) ha una massa così alta? Perché elettrone e protone hanno in modulo la stessa carica? Perché ci sono 3 famiglie di leptoni, e altrettante di quark? Perché nell’universo la materia prevale sull’antimateria? Le forze elettrodebole e forte sono unificabili alla gravità? … ? Il Modello Standard potrebbe essere solo una parte di qualche teoria più grande, rivelabile solo a energie maggiori di quelle indagate fino ad oggi, dunque alcuni TeV (1 TeV = 1012 eV)

Possibili scenari oltre il Modello Standard La Supersimmetria (SUSY), tra le teorie più accreditate Nuovi bosoni vettori massivi (W/ Z) q Z′ X Y Particelle esotiche long-lived I micro-buchi neri Graviton (G) Recoil Le Extra-Dimensions M. Bianco

Verso nuove grandi scoperte Ci vuole un acceleratore di particelle per poter investigare la regione multi-TeV: LHC (Large Hadron Collider) Il gruppo ATLAS di Lecce lavora da molti anni a questo progetto

Cosa tiene unito il nucleo? La Cromodinamica Quantistica (QCD) è una teoria basata su una simmetria tra 3 “colori” (rosso, blu, verde) che caratterizza i quark.

Perché decade il neutrone? L’interazione forte è troppo intensa per spiegare il lungo tempo di decadimento del neutrone: È necessario introdurre un’interazione debole che spieghi questo fenomeno e i decadimenti di altre altre particelle. Essa è mediata dai “bosoni vettori” W+, W–, Z.

Distribuzione di massa invariante La massa invariante non assume un singolo valore! La larghezza di questa distribuzione dipende da due fattori La larghezza intrinseca della particella (tanto maggiore tanto è breve la vita media) La risoluzione del rivelatore nella misura delle particelle finali