ISTITUTO NAZIONALE di FISICA NUCLEARE LABORATORI NAZIONALI di FRASCATI F. Murtas LA FISICA delle PARTICELLE

Le origini dell’INFN 1951 4 Sezioni universitarie Milano, Torino, Padova, e Roma 1957 Il Laboratorio Nazionale di Frascati L’INFN nasceva 50 anni fa, per iniziativa di fisici delle Università di Milano, Padova, Roma e Torino, che ponevano così le basi per sviluppare la tradizione scientifica di Enrico Fermi e la sua scuola. In effetti, l’INFN realizza idealmente il progetto di Istituto di radioattività artificiale che Fermi aveva tentato invano di lanciare in Italia, con lo scopo di costruire gli acceleratori di particelle, i nuovi promettenti strumenti per lo studio della struttura microscopica della materia. In questa direzione si mosse l’INFN nel 1953, affidando a Giorgio Salvini la realizzazione di un progetto d’avanguardia, un elettrosincrotrone, a Frascati, dove così nacque il primo Laboratorio nazionale dell’Istituto.

Centro Nazionale di Calcolo INFN Oggi Centro Nazionale di Calcolo VIRGO : European Gravitational Observatory 4 Laboratori 19 Sezioni 11 Gruppi collegati Oggi l’INFN è diffuso su tutto il Paese, con 19 Sezioni e 11 Gruppi collegati, che testimoniano il profondo legame dell’Istituto con l’Università e i suoi giovani; e inoltre con 4 Laboratori, che costituiscono l’ambiente ideale per lo sviluppo e la realizzazione di grandi complessi strumentali, a disposizione della comunità scientifica, non solo nazionale.

Personale Università INFN Associati con incarico di ricerca Ricercatori Tecnologi Associati con incarico tecnico Tecnici Associati Amministrativi nel tessuto stesso della comunità attiva dell’Istituto, che vede operare insieme il personale dipendente e quello universitario, appositamente associato. Dirigenti Contratti temporanei Laureandi, dottorandi, borsisti associati

Dagli atomi ai quark Fine ‘800 L’atomo Protone Inizio ‘900 Il modello atomico planetario Anni 30 La struttura del nucleo atomico Il tema di ricerca dell’INFN – i costituenti fondamentali della materia – nasce, in senso moderno, alla fine dell’Ottocento, quando si concretizza l’idea di una materia fatta di atomi, di piccolissimi granelli. All’inizio del Novecento, l’atomo rivelò una struttura interna sorprendente. Il fatto é così riportato dallo scrittore argentino Borges: “Il diametro di un atomo è stato calcolato, salvo errori, in pochi decimillionesimi di millimetro. Questa vertiginosa piccolezza non vuol dire che esso sia indivisibile: al contrario Rutherford lo definisce a immagine di un sistema solare, fatto di elettroni rotatori e di un nucleo centrale, centomila volte più piccolo dell’intero atomo”. Questo piccolissimo nucleo, negli anni Trenta – col contributo decisivo di Enrico Fermi – si rivelò un aggregato compatto di protoni e neutroni. Negli ultimi 50 anni, quelli di vita dell’Istituto, mentre da una parte si è approfondita la comprensione della complessa struttura nucleare, fino all’attuale studio di situazioni estreme, dall’altra il nostro sguardo è penetrato all’interno del protone, cogliendone la struttura a quark, con una definizione dei dettagli pari a un millesimo del suo diametro. Fine ‘900 La struttura subnucleare a quark

AdA: Anello di Accumulazione F r a s c a t i 1961 Bruno Touschek 1 m I microscopi del mondo subnucleare sono la combinazione di collisori e rivelatori di particelle. Il modello più elegante di collisore é quello concepito nel 1960 a Frascati da Bruno Touschek, che lo battezzò AdA, Anello di Accumulazione di particelle di materia e antimateria. Il prototipo dei collisori materia-antimateria

Materia e Antimateria g a a t + t - e- e+ m- m+ e+ e- E = 2mm c2 E = 2me c2 E = 2mt c2 Con i collisori si raggiungono energie molto elevate con possibilità di studiare asimmetrie tra materia e antimateria.

I discendenti di AdA nel mondo I collisori elettroni - antielettroni DCI ACO ADONE VEPP 2 DAFNE ADONE II BEPC SPEAR VEPP 4 CESR KEK B DORIS PEPII PETRA PEP LEP I LEP II Quark b Quark s DAFNE LEP al Cern ADONE I discendenti di AdA sono stati e sono numerosi, a partire da ADONE, la grande AdA di Frascati, fino a LEP al CERN di Ginevra, un anello di 27Km di circonferenza, dove fino all’anno scorso hanno circolato elettroni e antielettroni, alla massima energia mai raggiunta da questi collisori. E ancora DAFNE, a Frascati, che attualmente opera alla massima luminosità mai ottenuta alle energie di produzione del quark s.

Laboratori nel Mondo Fermilab a Chicago KEK a Tsukuba in Giappone Il CERN a Ginevra Fermilab a Chicago SLAC a Stanford in California Desy ad Amburgo KEK a Tsukuba in Giappone Jafferson Lab in Virginia Lo sviluppo della fisica dei costituenti fondamentali è stato caratterizzato dalla crescita sistematica, in dimensioni e complessità, di collisori e rivelatori di particelle, e dunque dalla concentrazione in grandi centri internazionali, che attraggono estese comunità di ricerca. Conclusa nel 2000 la sperimentazione al LEP del CERN, oggi la ricerca alla frontiera dell’energia è condotta presso il laboratorio Fermi di Chicago.

Costituenti materiali Il Modello Antico Costituenti materiali Forze Terra Acqua Aria Fuoco Si può porre un’analogia tra questo quadro e quello ipotizzato dai pensatori dell’antica Grecia: aria, acqua e terra sarebbero i costituenti fondamentali della materia, il fuoco sarebbe una forza.

Costituenti materiali Il Modello Standard Costituenti materiali Forze e 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 Z bosone W g fotone gluone Quarks Mediatori di Forze Leptoni Complessivamente oggi possiamo contare su una Teoria, chiamata Modello Standard, che interpreta tutti i fenomeni elementari osservati. In base a essa la materia che ci circonda e popola l’Universo sin dalle sue origini è fatta di quark e leptoni, organizzati in gruppi e famiglie governati da simmetrie. Anche le forze che agiscono tra loro si manifestano come particelle: i fotoni, i bosoni W e Z, i gluoni. Famiglie di materia Bosone di Higgs ?

u c t s e d b m I Fermioni : le masse n ne nm 1 Gev » protone 175 1.5 elettrone ne neutrino e d down u up nm neutrino m m muone c charm strange s t top tau n neutrino t b bottom . Q U A R K S L E P T O N I . » 0 4 1.8 175 0.003 0.006 0.0005 » 0 1.5 0.12 0.105 » 0 1 Gev » protone

I Bosoni: le masse g g Z W 1 GeV » protone 83 GeV 91 GeV fotone gluone bosone Z bosone 83 GeV 91 GeV 1 GeV » protone

Esperimento UA1 al collisore protone-antiprotone del CERN di Ginevra Contributo dell’INFN Materia Forze Esperimento UA1 al collisore protone-antiprotone del CERN di Ginevra C. Rubbia e ne d down u up elettrone e-neutrino m muone n m-neutrino s strange c charm t-neutrino t tau b bottom top Z bosone W g fotone gluone Z bosone W g fotone gluone Evento con Z° di nuovo al CERN, la scoperta dei bosoni W e Z che trasmettono la forza debole, per la quale Carlo Rubbia ha ricevuto il premio Nobel;

e u s c t e u s c t d m b d m b Contributo dell’INFN ne n ne n g W Z Materia Forze Adone a Frascati 1974 e ne d down u up elettrone e-neutrino m muone n m-neutrino s strange c charm t-neutrino t tau b bottom top e ne d down u up elettrone e-neutrino m muone n m-neutrino s strange c charm t-neutrino t tau b bottom top Z bosone W g fotone gluone Gamma Gamma2 la previsione dell’esistenza del quark c di Luciano Maiani; Meccanismo Glashow-Iliopoulos-Maiani Previsione dell’esistenza del quark c

Esperimento CDF al collisore di Fermilab di Chicago (1998) Contributo dell’INFN Materia Forze Esperimento CDF al collisore di Fermilab di Chicago (1998) e ne d down u up elettrone e-neutrino m muone n m-neutrino s strange c charm t-neutrino t tau b bottom top e ne d down u up elettrone e-neutrino m muone n m-neutrino s strange c charm t-neutrino t tau b bottom top Z bosone W g fotone gluone la scoperta del quark t al Laboratorio Fermi di Chicago;

Esperimento all’SPS del CERN sulla violazione diretta di CP Contributo dell’INFN Materia Forze e ne d down u up elettrone e-neutrino m muone n m-neutrino s strange c charm t-neutrino t tau b bottom top e ne d down u up elettrone e-neutrino m muone n m-neutrino s strange c charm t-neutrino t tau b bottom top e ne d down u up elettrone e-neutrino m muone n m-neutrino s strange c charm t-neutrino t tau b bottom top Z bosone W g fotone gluone le scoperte nel campo della violazione della simmetria materia–antimateria per il quark s, al CERN, Esperimento all’SPS del CERN sulla violazione diretta di CP

Candidato di Violazione di CP in Kloe a Frascati

Esperimento a SLAC di Stanford (California) sulla violazione di CP Contributo dell’INFN Materia Forze e ne d down u up elettrone e-neutrino m muone n m-neutrino s strange c charm t-neutrino t tau b bottom top e ne d down u up elettrone e-neutrino m muone n m-neutrino s strange c charm t-neutrino t tau b bottom top e ne d down u up elettrone e-neutrino m muone n m-neutrino s strange c charm t-neutrino t tau b bottom top Z bosone W g fotone gluone e per il quark b, al Laboratorio SLAC di Stanford; Esperimento a SLAC di Stanford (California) sulla violazione di CP

Plasma di quark e gluoni LHC e il Big Bang Plasma di quark e gluoni Intanto nel tunnel del LEP sta nascendo il suo successore LHC, un collisore protone-protone che, a partire dal 2006, spingerà il potere risolutivo microscopico fino a 10 volte quello attuale, puntando innanzitutto alla scoperta della particella di Higgs. A LHC verranno anche prodotte collisioni tra nuclei di piombo, allo scopo di ricreare e studiare, su scala infinitesimale, lo stato del nostro Universo, una frazione di secondo dopo il Big Bang, quando per un istante fu tutto un plasma di quark e gluoni.

LHC al CERN di Ginevra Apparato Atlas a LHC Evento simulato di collisione protone-protone Evento simulato di collisione piombo-piombo CMS Apparato Atlas a LHC Sono quattro i rivelatori in costruzione per gli esperimenti al collisore LHC, che vedono complessivamente impegnati oltre 5000 ricercatori e tecnologi provenienti da ogni parte del mondo, oltre 500 dall’Italia. Si tratta di grandi apparati, densi di sofisticate tecnologie – meccanica, superconduttività, criogenia, elettronica, calcolo – per rivelare e riconoscere le centinaia o migliaia di particelle che si sprigioneranno a ogni collisione tra i fasci di protoni o di nuclei di piombo, al ritmo di 40 milioni di volte al secondo. LHC-B ALICE ATLAS

Laboratori Nazionali Laboratori di Legnaro Laboratori di Frascati Laboratori del Sud, Catania Laboratori di Frascati Anche il progresso degli acceleratori di particelle richiede innovazione. La loro evoluzione verso grandi complessi internazionali ha cambiato il ruolo ma non il rilievo dei laboratori nazionali.

Decadimento del Protone Le energie di collisione sempre più elevate sono necessarie per rendere possibili urti tra leptoni o quark sempre più ravvicinati. A volte, alla forza si può sostituire la pazienza.

Decadimento del Protone Per esempio è convinzione diffusa tra i fisici teorici che i quark all’interno di un protone, sempre animati da movimento casuale, possano per caso finire – seppure con probabilità estremamente bassa – così vicini da far entrare in azione una forza, inaccessibile a qualsiasi collisore, che porterebbe il protone a scomparire.

Laboratori sotterranei Proprio con lo scopo di osservare il decadimento del protone, alla fine degli anni Settanta, s’inaugurò l’era dei laboratori sotterranei, con lo scopo di proteggere i rivelatori di particelle dalla pioggia dei raggi cosmici, creando le condizioni di quiete richieste dalla rarità delle osservazioni. Evento raro

Laboratori sotterranei del Gran Sasso Fu in tale contesto che Antonino Zichichi lanciò il progetto dei laboratori sotterranei del Gran Sasso, una struttura unica al mondo per il facile accesso e le dotazioni strumentali, dedicata allo studio di fenomeni rari e delle particelle cosmiche capaci di penetrare la montagna.

Oscillazione di Neutrini Gallex al GranSasso L’esperimento ha provato che il flusso di quel tipo di neutrini in arrivo sulla Terra è nettamente inferiore rispetto a quanto ci si aspetta a partire dal flusso d’energia solare in arrivo. Questa osservazione ha reso definitivamente concreta l’ipotesi che, nel viaggio verso la Terra, i neutrini della famiglia dell’elettrone prodotti nel Sole si trasformino in neutrini di famiglia diversa, cioè che oscillino tra le due famiglie, come ipotizzato da Bruno Pontecorvo, il che implica che i neutrini siano dotati di massa, seppure piccolissima. I neutrini si trasformano durante il lungo viaggio

Oscillazione di neutrini down u up elettrone e-neutrino m muone n m-neutrino s strange c charm t-neutrino t tau b bottom top e ne d down u up elettrone e-neutrino m muone n m-neutrino s strange c charm t-neutrino t tau b bottom top e ne d down u up elettrone e-neutrino m muone n m-neutrino s strange c charm t-neutrino t tau b bottom top e ne d down u up elettrone e-neutrino m muone n m-neutrino s strange c charm t-neutrino t tau b bottom top e ne d down u up elettrone e-neutrino m muone n m-neutrino s strange c charm t-neutrino t tau b bottom top e ne d down u up elettrone e-neutrino m muone n m-neutrino s strange c charm t-neutrino t tau b bottom top e ne d down u up elettrone e-neutrino m muone n m-neutrino s strange c charm t-neutrino t tau b bottom top e ne d down u up elettrone e-neutrino m muone n m-neutrino s strange c charm t-neutrino t tau b bottom top e ne d down u up elettrone e-neutrino m muone n m-neutrino s strange c charm t-neutrino t tau b bottom top Z bosone W g fotone gluone I neutrini sono costituenti elementari della materia, con la quale interagiscono solo attraverso la forza debole. Perciò osservarli è difficile, anche se sono estremamente abbondanti nell’Universo: attraverso un granello di sabbia in un secondo ne passano milioni. Capire il mescolamento tra i neutrini delle diverse famiglie e misurarne le masse sono temi di assoluto rilievo per la nostra conoscenza dell’Universo. Matrice di mescolamento dei neutrini Milioni di neutrini al secondo attraverso un granello di sabbia

Neutrini dal CERN al Gran Sasso Icarus : camera a immagine in Argon liquido Opera : camera a emulsioni fotografiche Analogo fenomeno è stato accertato per i neutrini della famiglia del muone. Il loro studio accurato sarà reso possibile dal fascio di neutrini che a partire dal 2005 verrà proiettato dal CERN di Ginevra verso le sale sotterranee dei laboratori del Gran Sasso, dove saranno installati i rivelatori Icarus e Opera. Icarus visualizzerà le traiettorie delle particelle in un grande volume di Argon liquido, un innovativo progetto lanciato da Carlo Rubbia; Opera invece studierà i segni lasciati dalle particelle in blocchi di emulsioni fotografiche, una tecnica messa a punto da un gruppo giapponese.

Neutrini da collassi gravitazionali Osservatorio LVD al Gran Sasso I corpuscoli cosmici d’alta energia sono messaggeri di fenomeni violenti nell’Universo, che agiscono da acceleratori cosmici. L’interazione fondamentale che li alimenta è la gravità.

Progetto Antares e R&D Nemo Di nuovo in profondità, stavolta in mare, oltre i 2-3.000 metri, si è in procinto di realizzare rivelatori per l’osservazione di sorgenti cosmiche di neutrini d’altissima energia.

Ricerca di antimateria : AMS Domani Ieri Ancora più su, nello Spazio, in questo caso in assenza totale di un qualunque filtro materiale, rivelatori di particelle come AMS Italia, Cina, Germania, Finlandia, Francia, Svizzera, Taiwan, USA

Collaborazione italo-russa-svedese-tedesca Università di Tor Vergata Nina 1 e 2 ieri, Pamela oggi e PAMELA studiano l’antimateria e la materia oscura dell’Universo. Questa viene cercata con metodi complementari anche sotto il Gran Sasso. Collaborazione italo-russa-svedese-tedesca Università di Tor Vergata

Costituenti materiali La gravità Costituenti materiali Forze e 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 Questa è la forza per noi più familiare ma, paradossalmente, i fisici teorici non sono finora riusciti a inserirla in una teoria coerente delle interazioni fondamentali. Non solo: il quanto elementare portatore della forza di gravità non è stato ancora direttamente osservato. Famiglie di materia Bosone di Higgs ?

Antenna Gravitazionale a Frascati Per rivelare onde gravitazionali emesse da supernove all’interno della nostra galassia e’ necessario raffreddare a pochi millikelvin (~ -273 gradi) grandi cilindri metallici

Interferometro Gravitazionale Virgo Esso è il progetto più avanzato di questo tipo, proponendosi di rivelare vibrazioni infinitesimali, nel vuoto dei suoi bracci di 3Km, di ampiezza fino a un decimo del diametro di un protone. Consorzio italo - francese EGO a Pisa

Antenne gravitazionali Barre risonanti INFN Auriga a Legnaro Explorer al CERN Nautilus a Frascati VIRGO si inserisce in una rete mondiale di progetti, che vanno visti come gli elementi di un unico telescopio terrestre, che si pone l’obiettivo di fondare l’astronomia a onde gravitazionali, basata dunque sui messaggeri della forza dominante alle distanze cosmiche.

Costituenti materiali Il Modello Standard Costituenti materiali Forze e 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 Particelle supersimmetriche Quarks g fotone ? Mediatori di Forze Z bosone W Leptoni Gravitone Dalla caccia alla particella di Higgs, ai neutrini che si trasformano in volo, ai processi gravitazionali dell’Universo: tutte ricerche affascinanti, capaci di generare una profonda motivazione nei loro attori, anche verso lo sviluppo delle sofisticate tecnologie necessarie. Questo a sua volta é sorgente d’innovazione per il mondo esterno. In definitiva noi pensiamo che stia qui il segreto della ricerca di base – e della comunità che la conduce – quale sorgente primaria dello sviluppo del Paese, e questo ci spinge a una serrata e sempre più organizzata azione di trasferimento di conoscenza al sistema produttivo. ? Famiglie di materia Bosone di Higgs ?

Ricadute tecnologiche : Il WWW 1990 : nasce il WWW al CERN Fra le tante sfide tecnologiche del progetto LHC c’é quella legata allo sviluppo del sistema di calcolo, che richiede una potenza ben superiore di quella semplicemente estrapolabile dall’attuale. La comunità dei fisici subnucleari ha già colto un importante successo al CERN con lo sviluppo del Web, il familiare www, nato per permettere un pronto scambio di dati e diventato, con sorprendente rapidità, un canale di comunicazione universale. La biblioteca mondiale

Il futuro informatico : GRID Potenza di calcolo distribuita Elaborazione di immagini da satellite Metereologia Ora, in vista di LHC, la stessa comunità potrebbe ripetersi, con lo sviluppo della cosidetta Grid, il cui obiettivo è rendere disponibili in rete non solo dati e immagini, ma anche la potenza di calcolo necessaria per elaborarli. Altre discipline potenzialmente interessate, quali la biologia e la meteorologia, sono state già coinvolte nell’attuale fase di sviluppo.

Ricadute sulla fisica medica : la PET Immagini del cervello Collaborazioni INFN -Policlinico di Tor Vergata

Ricadute tecnologiche : Beni Culturali Caratterizzazione dei pigmenti di stampe del settecento appartenenti al Quirinale Tecniche nucleari applicate ai beni culturali L’INFN cura anche l’applicazione delle proprie tecniche nucleari e subnucleari ad altre discipline. Proprio a una di quelle abbiamo fatto ricorso per un dono al Signor Presidente della Repubblica, in ricordo di questa giornata e in segno di gratitudine per l’onore e l’attenzione che ha voluto concedere all’Istituto, peraltro in un momento di gravosi impegni.

Laboratori Nazionali di Frascati NAUTILUS ATLAS Auditorium ADA e ADONE KLOE DANE Centro di Calcolo FISA BTF DANE-L FINUDA DEAR Laboratori Nazionali di Frascati