Introduzione alle attività dei Laboratori Nazionali di Frascati dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare A cura di L.Benussi, P. Gianotti, G.Mazzitelli, C. Petrascu, B.Sciascia, E.Boscolo, G, Battimelli con il supporto del Servizio Informazione Scientifica.

Istituto Nazionale di Fisica Nucleare L’INFN promuove, coordina ed effettua la ricerca scientifica nel campo della fisica sub- nucleare, nucleare e astroparticellare, nonchè la ricerca e lo sviluppo tecnologico necessari alle attività in tali settori, in stretta connessione con l’Università e nel contesto della collaborazione e del confronto internazionale. La ricerca di base non produce direttamente benefici per la societa’, pero’ vi sono diverse “ricadute tecnologiche” a breve e medio termine che influenzano la vita di tutti I giorni: www, elettronica veloce, calcolo e reti, apparecchiature medicali (PET, SPECT, RX, TAC, Risonanza magnetica,…), conservazione e restauro dei beni ambientali, etc, etc… Inoltre la ricerca ha un “valore culturale” per l’intera societa’. Spesso esiste poi una ricaduta a lungo termine, difficilmente valutabile; la ricerca e’ motivata dalla “curiosita’” dell’uomo. e.g. scoperta dell’elettrone; politico inglese fine ‘800: “a che cosa serve?”, scienziato (Maxwell?) “non lo so ancora, ma prima o poi voi troverete il modo di metterci sopra una tassa” Fundamental research does not directly produce benefits for society; however, fundamental research creates “spin-off” technologies that can change everyday life in the short to medium term. Some examples include the World Wide Web, fast electronics, supercomputing and networking solutions, medical diagnostic technologies (PET, CAT scans, magnetic resonance imaging, etc.), technologies for the protection and restoration of our artistic heritage. Moreover, fundamental research is of cultural value to all of society (and indeed, humanity) Finally, there may be technological implications that become evident only in the long term. After a demonstration of the dynamo effect in 1831, the Prime Minister of England, Lord Peel, asked Michael Faraday of what use the effect was. Faraday replied: “I know not, but I’ll wager someday your government will tax it.”

Le Origini dell’Istituto Nel 1937 Fermi propone al CNR la costituzione di un Istituto Nazionale di Radioattività

Giugno 1938: il Consiglio Nazionale delle Ricerche decide di non procedere alla costituzione dell’Istituto Nazionale di Radioattività proposto da Fermi

1951 1957 4 Sezioni universitarie Milano, Torino, Padova, e Roma Nascita INFN 1951 4 Sezioni universitarie Milano, Torino, Padova, e Roma 1957 Laboratori Nazionali di Frascati Frascati “Ragazzi di via Panisperna”  Fermi: necessita’ di “strumenti” costosi (acceleratori, gia’ in costruzione negli USA) e infrastrutture (servizi tecnici specializzati) Dai gruppi di lavoro di Enrico Fermi (Roma) e Bruno Rossi (Firenze) nasce l’idea di un “Istituto Nazionale di Fisica” (anni ‘30); bisognera’ attendere la fine della guerra e l’impegno di Edoardo Amaldi (unico dei “Ragazzi” rimasto in Italia) per veder nascere nel 1951 l’INFN e poco dopo il primo Laboratorio Nazionale (Frascati) The group of “the boys of Via Panisperna,” the most famous member of which was Enrico Fermi, conducted a series of nuclear physics experiments of fundamental importance at the Isitiuto di Fisica at the University of Rome in the 1930’s. Fermi realized that continuing progress in the field would require costly scientific instruments (such as accelerators, which were already under construction in the USA), and technical infrastructure (specialized technical services). The idea of an “Istituto Nazional di Fisica” had its origins in the research groups of Fermi (at Rome) and Bruno Rossi (at Florence) in the 1930’s. However, societal unrest during the war years made such a vision impossible to achieve until Edoardo Amaldi (the only one of the “boys” to remain in Italy) worked to found the INFN in 1951. Shortly afterwards, in 1957, the first national laboratory was founded at Frascati.

INFN oggi Gran Sasso Legnaro VIRGO-EGO European Gravitational Observatory 19 Sezioni 11 Gruppi collegati 4 Laboratori Nazionali Laboratori del Sud (Catania) Con il passare degli anni sono nate sezioni dell’INFN presso quasi tutti I dipartimenti di Fisica delle Universita’ italiane  possibilita’ tecnica e logistica per coloro che vogliono fare ricerca di fisica nei “campi propri dell’INFN” Sono nati, oltre I LNF, altri 3 Laboratori Nazionali Legnaro: fisica dei nuclei pesanti, studio della struttura nucleare, comprensione delle reazioni di nucleo sintesi all’interno delle stelle; onde gravitazionali (Auriga = Nautilus). Attivita` di tipo interdisciplinare: radiobiologia, microdosimetria, studio degli elmenti inquinanti dell’ambiente. Programmi/studi per l’incenerimento delle scorie radioattive. Laboratori del Sud (Catania): fisica nucleare fondamentale, astrofisica nucleare;studio di tecniche di conservazione e restauro dei beni artistici (Botticelli), storici (Petrarca) e archelogici; terapie mediche, in part. cura del melanoma oculare. Gran Sasso (1400 m di roccia; reiezione cosmici 1;1 000 000; 12 esperimenti): esperimenti di fisica passiva: studio di raggi cosmici, studio di eventi astrofisici che avvengono a energie non raggiungibili dagli acceleratori; proprieta’ dei neutrini (solari, da supernova, da acceleratori –CERN-); ricerca/studio materia oscura. Lab. usato anche da geologi e biologi. Virgo: progetto speciale dell’INFN in collaborazione con il corrispondente ente di ricerca francese, per la ricerca e lo studio delle onde gravitazionali. During the last 50 years, INFN sections have been established at the physics departments of practically every Italian university. These sections are the primary institutional link between the INFN and the university sector, and provide the technical and logistical support for university research in high-energy physics in Italy In addition, three other national laboratories have been established. Legnaro: physics of heavy nuclei, studies of nuclear structure, and gravitational wave research (AURIGA = NAUTLIUS) Laboratori del Sud (Catania): fundamental nuclear physics, technologies for the conservation and restoration of our artistic hertiage. Gran Sasso: “Passive” high-energy experiments (without accelerators): studies of cosmic rays and the properties of neutrinos. VIRGO is a special project involving collaboration between the INFN and the corresponding French research organization for the experimental search for gravitational waves and the study of their properties. The annual budget of the INFN is about the same as that of the F.C. Juventus.

Che cosa si fa ai Laboratori Nazionali di Frascati? Studi sulla struttura intima della materia Ricerca fondamentale Sviluppo e costruzione di rivelatori di particelle Ricerca di onde gravitazionali Elaborazione di modelli teorici Studio e sviluppo di tecniche acceleratrici Studi di materiali e ricerche bio-mediche con luce di sincrotrone Sviluppo e supporto di sistemi di calcolo e reti

La Storia dell’Universo A partire dalle “cose” che ci circondano e vediamo (dunque anche le stelle), l’uomo ha cercato di studiare e capire “l’infinitamente grande” e “l’infinitamente piccolo” L’infnitamente grande permette di studiare l’infinitamente piccolo: andare a studiare oggetti e fenomeni sempre piu’ lontani nel tempo equivale a studiare “ambiti” sempre piu’ piccoli. Through the study of the things that make up our everyday existence, mankind has tried to understand the “infinitely large” and “infinitely small.” The two realms—infinitely large and infinitely small—are closely related. Studying objects and phenomena of the distant past is equivalent to studying the laws of nature on more and more microscopic scales.

Il metodo scientifico… Di chi si tratta? Osservazione Ipotesi Previsione 1564-1642 Brief explanation of the scientific method The existence of a regular, high-level order suggests the existence of simpler, underlying elements that combine in various ways to form the multiplicity of elements observed at the higher level. When Mendeleev compiled the periodic table, there were holes in it due to missing elements, which were searched for and found. The Rutherford experiment: planetary structure of the atom  nucleus surrounded by orbiting electrons Chadwick’s discovery of the neutron and the internal structure of the nucleus Galileo è il primo ad introdurre formalmente il metodo scientifico

Com’è fatta la materia La nostra attuale idea della materia è frutto di secoli di studi... Gli studiosi dell’antica Grecia credevano che in natura ci fossero 4 elementi Dalton (1808) elenca, con il loro peso, diversi degli elementi che oggi conosciamo

Mendeleev (1869) introduce la tavola periodica

Vedere l’invisibile Nel1898 Thomson formulò l’ipotesi che l’atomo fosse una sorta di palla di carica positiva all’interno della quale erano distribuite le cariche negative: una sorta di modello a “panettone” - Negli anni 1909-1911 Rutherford e i suoi colleghi per testare quest’ipotesi fecero degli esperimenti bombardando una foglia d’oro con particelle alfa Il bersaglio (atomo) e’ grande rispetto al proiettile (particella alfa). L’atomo di Rutherford

Osservare… L’osservazione degli oggetti “macroscopici” è un “esperimento alla Rutherford” fatto con la luce Per vedere nel mondo “microscopico” bersaglio e sonda devono avere dimensioni confrontabili

Osservare … 10-10 m La luce visibile ha lunghezze d’onda da 400 a 800 nm (10-9m) Per vedere dentro gli atomi ci serve qualcos’altro!

Sorgenti di particelle Rutherford produceva le particelle alfa usando sorgenti radioattive. Per avere fasci di particelle di diversi tipi e di energia calibrata si costruiscono opportuni strumenti: gli acceleratori I fasci di particelle hanno origine da una sorgente. L’esempio più semplice è un filamento caldo, come quello di una lampadina Le particelle acquistano energia uguale alla loro carica moltiplicata per la differenza di potenziale applicata tra gli elettrodi DE = qV

L’elettro-sincrotrone di Frascati 1959-1975

L’osservazione su bersaglio sincrotrone bersaglio S L rivelatori p+/- e-,e+,p … LINAC p, n, etc La materia è vuota Ciò che non ha interagito viene perduto Limitata energia disponibile Il bersaglio è complesso.

Un nuovo approccio: usare fasci collidenti rivelatore Bruno Touschek, Frascati, 1960 Anello di Accumulazione Le particelle che non interagiscono, possono essere riutilizzate al giro successivo Le particelle circolanti possono essere sia elementari che complesse (come nuclei o atomi). Collisione nel centro di massa

I collisori materia-antimateria LEP al CERN di Ginevra 1988 LHC al CERN di Ginevra ha iniziato l’attività 2009 DAFNE ADONE a Frascati nel 1969 ADA a Frascati 1959

Un passo in piu`: Collisione di particelle e antiparticelle m- m+ e+ e- E  2mt c2 E  2mm c2 E  2me c2 Materia e antimateria C2 circa 1016 E = m c2 Maggiore è l’energia, più e più particelle si possono studiare…

e u s c t Il Modello Standard d b m ne n n g g W Z ? Fermioni Bosoni I 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 Dopo protone, neutrone ed elettrone furono scoperte (nei raggi cosmici) o prodotte (dagli acceleratori) molti altri tipi di particelle; le loro proprieta’ erano tali da poterle organizzare in modo regolare (come Mendeleev aveva fatto per gli atomi) Tale regolarita’ fece pensare alla presenza di costituenti ancora piu’ elementari che vennero cercati e trovati. Questi costituiscono I “mattoni” del Modello Standard delle Particelle” Anche in questo caso, l’esistenza di una regolarita’ (organizzazione di famiglie “uguali” ma via via piu’ pesanti) porta a pensare che esistano costituenti “ancora piu’ fondamentali” che, pur essendo stati cercati agli acceleratori e nell’Universo, per ora non sono stati ancora trovati. Sono escluse dall’attuale MS le interazioni gravitazionali; anche questo e’ un indizio di un “qualcosa di piu’ elementare e generale” da scoprire (ampliamenti del MS, teoria delle stringhe, GUT, etc…) Famiglie di materia Bosone di Higgs ?

g g Le forze fondamentali W Z forza intensità effetto Vi tiene seduti Gravitazionale 1 Z bosone W Decadimenti: n p + e- + n Debole 1029 Elettromagnetica 1040 Tiene insieme gli atomi g fotone I “mattoni” fondamentali interagiscono mediante vari tipi di forze, molto diverse tra loro per caratteristiche e intensita’ Se si assegna arbitrariamente il valore 1 alla forza di gravita’… molecole atomi nuclei g gluone Tiene insieme i nuclei Forte 1043

DAΦNE FINUDA

di DAΦNE, permette di produrre circa 10000 K al secondo. La fisica a DAΦNE Dalle collisioni tra elettroni e positroni può essere prodotto il mesone Φ, che decade immediatamente in altre due particelle, i Kaoni K. I due K possono essere entrambi carichi o neutri. K e- e+ e- e+  e- e+ e- e- e+ e+ e- e+ e- e+ e- e- e+ e- K I K sono le particelle usate dagli esperimenti, FINUDA, KLOE, etc.. per i rispettivi obiettivi. La luminosità di DAΦNE, permette di produrre circa 10000 K al secondo.

Atomi Kaonici Idrogeno Kaonico (DEAR - Siddharta) n=1 p n=2 n=25 K- 2p  1s (Ka ) X ray of interest L’idea è quella di esplorare la forza forte attraverso lo studio degli atomi kaonici (in cui un K- ha sostituito un elettrone atomico).

FINUDA (Fisica Nucleare a DAΦNE) L’esperimento FINUDA studia la forza forte attraverso l’inserimento di un “corpo estraneo” all’interno del nucleo p n L Ipernucleo u d u d u s u  s d K- n  L p- Ecco come appare un evento ipernucleare all’interno del rivelatore

KLOE (K LOng Experiment) KLOE studia il rapporto tra materia e antimateria tramite i decadimenti dei Kaoni

La luce di sincrotrone è la radiazione emessa DAΦNE-Luce La luce di sincrotrone è la radiazione emessa da particelle cariche che subiscono una deflessione per effetto di un campo magnetico. Si utilizza per applicazioni multi-disciplinari quali la biofisica, la fisica dello stato solido e la scienza dei materiali. fotone

SPARC Da prodotto “di scarto” la luce di sincrotrone è diventata un potente strumento di indagine. Pertanto viene prodotta ad hoc per svariate applicazioni (Sorgente Pulsata Auto-amplificata di Radiazione Coerente) è un progetto con 4 linee principali che hanno in comune la realizzazione di una sorgente di raggi X di alta brillanza(quantità di energia emessa per unità di angolo solido) 150 MeV Advanced Photo-Injector produzione di un fascio di elettroni e compressione dei pacchetti attraverso sistemi magnetici e RF; SASE-FEL Visible-VUV Experiment per lo studio dei sistemi di trasporto di fascio Monocromatore di raggi X Sorgente di raggi X

onde monocromatiche coerenti: Radiazione-luce incoerente Radiazione-luce coerente onde monocromatiche coerenti: lunghezza d’onda λ fissa e fasi relative fissate= Tantissime sinusoidi tutte identiche sovrapposte

FLAME (Frascati Laser for Acceleration and Multidisciplinary Experiments) è una sorgente laser con una straordinaria potenza 300TeraWatt con impulsi di durata 20 fs, e una frequenza di 10Hertz. Il laboratorio LI2FE combinando i fasci di eletttroni di Sparc con il laser di potenza si produce una sorgente di raggi X monocromatici unica. Questa verrà usata per applicazioni mediche permettendo di ottenere immagini con migliore qualità utilizzando meno radiazioni. LI2FE è il laboratorio per attività interdisciplinari che è stato inaugurato a Frascati a dicembre 2010.

Una distorsione nel tessuto dello spazio La forza di gravità (Refer to the schematic of the Standard Model, in which the gravitational interaction is not incorporated; this is studied at LNF) Einstein’s 1916 Theory of General Relativity correctly describes gravitational interactions on the large scale (the only scale on which observations have yet been carried out), but it cannot be incorporated into the Standard Model. General relativity, which expands on the Newtonian description of gravity, makes some predictions which can be verified experimetally. Some have already been verified (the precession of the perihelion of Mercury, the deflection of starlight by the gravitational field of the sun as observed by Eddington during a solar eclipse in West Africa in 1919) Others have yet to be verified: the existence of gravitational waves Una distorsione nel tessuto dello spazio

Onde Gravitazionali: un’analogia Ciao! Come va? antenna Le onde elettromagnetiche sono prodotte da cariche elettriche in moto accelerato… Onde Gravitazionali: un’analogia (fare riferimento allo schema del MS, in cui non e’ inclusa l’interazione gravitazionale; essa e’ studiata ai Labs…) Esiste la teoria della Relativita’ Generale che descrive correttamente le int. grav., ma non e’ “collegabile” al MS delle particelle A partire da Einstein (articolo del 1916) teoria della Rel. Gen. Che amplia la precedente di Newton  previsione di alcuni fatti sperimentali Alcuni gia’ osservati (precessione del perielio di Mercurio, Eddington: eclisse di Sole in Cile nel 1919, deflessione dei raggi luminosi a causa del campo gravitazionale(?)) Alcuni ancora da osservare: o.g. Le onde gravitazionali sono prodotte da masse in moto accelerato…

Onde gravitazionali Le onde gravitazionali sono 1040 volte meno intense delle onde elettromagnetiche

Ricerca di onde gravitazionali NAUTILUS Supernova nella nostra Galassia h=10-18 Supernova in Virgo h=10-21 Rumore termico @ T=300 K, DL=10-16 m Rumore termico @ T=3 K, DL=10-17 m Rumore termico @ T=300 mK  DL=10-18 m Costante G: e’ quella conosciuta con minore precisione a causa della estrema debolezza della forza gravitazionale. Barre risonanti: sistema di 2 masse vincolate con una molla. L’ onda incidente Produce vibrazione nella barra, di ampiezza.. Rilascia energia nel sistema e Q I primi riv. Di questo tipo sono stati costruiti negli anni 60 da J. Weber. I rivelatori, attualm. In funzione di questo tipo, sono l’ evoluzione dei primi riv. di Weber (Interf.: lo schema base e’ un interf. Di Michelson. Anni 75 Weiss ha fatto il primo studio di fattibilita (ma k’ idea era gia’ stata introdotta precedentemente, Dallo stesso Weber) Si basano sul fatto che, dati i due bracci dell’ interf., Al passaggio dell’ onda variera’ la L di uno dei due e pertanto cambia la figura Di interferenza che si osserva.) Alla base di tutti gli esperimenti c’e’ l’ eq di deviazione dalla geodetica 1. The gravitational constant G, which sets the strength of the gravitational interaction, is the fundamental constant known with the least precision, because of the extremely weak nature of the gravitational force. 2. A resonant bars is analogous to a system of 2 masses connected by a spring. The incident gravitational wave prodcues vibrations in the bar, the amplitude of which is extremely small. 3. The first detectors of this type were constructed during the 1960’s by J. Weber. Modern resonant-bar antennae represent the evolution of Weber’s first prototypes. 4. Interferometers: the basic scheme is that of a Michelson interferometer. The first feasibility studies for such a detector were made around 1975 by Weiss, though the idea had been previously introduced by Weber. 5. Interferometers are based on the fact that, given the two arms of the interferometer, the passage of a GW will vary the length of one of the two and thereby cause the oberseved interference pattern to change.

Rivelatori di GW nel mondo I vari rivelatori di o.g. nel mondo acquisiscono dati contemporaneamente; infatti pur essendo molto debole di intensita’ un’eventuale o.g. investe tutta la terra.

Upgrade di DAΦNE Aumentato l’angolo di incrocio orizzontale DAFNE Aumentato l’angolo di incrocio orizzontale dei fasci 12mrad  25 mrad DAFNE Upgrade Ridotte le dimensioni orizzontali e verticali dei fasci

Il futuro dei LNF DAΦNE sta esaurendo il suo programma scientifico, ma utilizzando le competenze e l’esperierienze maturate con questo acceleratore stiamo pensanso ad una nuova “factory” di più alta energia e luminosità. Il progetto SuperB è stato scelto dal MIUR come progetto bandiera della ricerca italiana.

Laboratori Nazionali di Frascati, info: http://www.lnf.infn.it/sis/edu ADA e ADONE SPARC ATLAS NAUTILUS KLOE Centro di Calcolo OPERA DAFNE DAFNE-L BTF FISA FINUDA SIDDHARTHA Auditorium

Progetto Quasar http://www.lnf.infn.it/sis/edu INFN-LNF Attività di divulgazione scientifica A cura del SIS Ufficio Divulgazione e Pubbliche Relazioni L’attività di divulgazione scientifica è organizzata e coadiuvata dal SIS e prevede: Stages invernali Masterclass Stages estivi-residenziali Incontri di Fisica per gli Insegnanti Visite guidate per scuole: elemetari 4-5 Medie inferiori Medie superiori Seminari divulgativi Lezioni di Fisica Iniziative estemporanee come “Notte della Ricerca”, “Open Day”, incontri speciali : Progetto Quasar http://www.lnf.infn.it/sis/edu

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Quanto costa la ricerca in fisica delle alte energie? F16 $15M F117-A (stealth) $100M Dafne and KLOE $150M B-1B $200M INFN/year $280M B-2B (stealth) $2B Space shuttle: $4B Launching $400M Messina Bridge $5B NASA/year $15B ISS $40B US Defense/year $400B

Come "vedere" le particelle subatomiche? Una tromba d’aria distrugge le case di un villaggio. Gli abitanti delle case distrutte corrono al telefono piu` vicino per chiamare i pompieri. Dalla posizione dei telefoni e dal tempo intercorso fra le chiamate, si ricostruisce il punto in cui e` avvenuto l'incidente e la velocita’ della tromba d’aria A B C D I pompieri registrano la posizione dei telefoni e l'istante delle chiamate. B A C D

Come funzionano i rivelatori di particelle? Atomi nel rivelatore + + una particella invisibile passando attraverso il rivelatore ne colpisce gli atomi e libera elettroni. + + Gli elettroni negativi sono attratti dall’elettrodo positivo piu` vicino. + Elettrodo positivo + Il segnale prodotto e`amplificato e inviato ad un computer. + + Dalla posizione dell’elettrodo e dal tempo di arrivo del segnale, il computer ricostruisce il punto di passaggio della particella. + + + I rivelatori registrano le tracce delle particelle troppo piccole per essere "viste" x