Tutti a bordo della “caravella” LHC Il “vecchio mondo” di Colombo Il “vecchio mondo” di oggi L’acceleratore LHC e i suoi esperimenti Energia e materia oscura Il “nuovo mondo” Padova 18 Novembre 2008 Ezio Torassa Liceo Scientifico “E. Curiel” Padova 18 Novembre 2008 Ezio Torassa (INFN Padova)

Il “vecchio mondo” di Colombo Eratostene, vissuto tra il 276 a.c. ed il 196 a.c. effettuò la prima misurazione precisa della circonferenza della terra. (ASSUAN) Distanza Alessandria-Assuan ~ 5000 stadi Il risultato della misura della circonferenza fu 250.000 stadi Lo stadio era una misura che nell’antichità variava da 150 m a 200 m Si ritiene che le misure di Eratostene siano state fatte utilizzando lo stadio Egizio che è pari a 157 m. Si ottiene una circonferenza misurata di 39.000 Km rispetto alla circonferenza reale di 40.000 Km. Padova 18 Novembre 2008 Ezio Torassa

Il “vecchio mondo” di Colombo Posidonio, vissuto tra il 135 a.c. ed il 50 a.c. stimò la circonferenza della Terra utilizzando l’angolo di raggi della stella Canopo. Raggi della stella Canopo RODI ALESSANDRIA Distanza Alessandria-Rodi ~ 3750 stadi Si basa sul fatto che la stella Canopo sfiora l’orizzonte a Rodi, mentre è ben visibile a Alessandria. La misura appare perfezionare il metodo di Eratostene, ma la rifrazione atmosferica la altera, portando il valore osservato di 90o- θ da 5°15’ (vero) a 7°30’. (Posidonio non poteva saperlo). Ottenne un valore di 28000 Km, ben inferiore al vero ma creduto più accettabile. Adottato da Tolomeo (100 – 175 d.c.) , esso fu trasmesso attraverso il Medioevo con l’Almagesto. Padova 18 Novembre 2008 Ezio Torassa

Il “vecchio mondo” di Colombo Riproduzione della Carta di Tolomeo (il mare dell’India è chiuso) Padova 18 Novembre 2008 Ezio Torassa

Il “vecchio mondo” di Colombo La mappa di Toscanelli (1457) (registra la presenza del Giappone a Est della Cina) Padova 18 Novembre 2008 Ezio Torassa

Il “vecchio mondo” di oggi Materia La classificazione degli atomi in base alle proprietà chimiche evidenza di una “periodicità” (Mendeleyev)  Indicazioni di una struttura comune degli elementi La Tavola periodica Padova 18 Novembre 2008 Ezio Torassa

Il “vecchio mondo” di oggi Particelle Padova 18 Novembre 2008 Ezio Torassa

Il “vecchio mondo” di oggi Leptoni e Bosoni si osservano come stati autonomi mentre i Quark sono sempre legati tra loro a coppie o tripletti I Quark sono 6 (+ 6 antiquark) possono assumere 3 stati quantici chiamati colore, hanno carica +2/3 (u, c, t) e -1/3 (d, s, b) Mesoni Barioni (spin intero) (spin semidispari) q q q q q sono privi di colore Padova 18 Novembre 2008 Ezio Torassa

Il “vecchio mondo” di oggi Forze Padova 18 Novembre 2008 Ezio Torassa

Il “vecchio mondo” di oggi Unificazione delle forze Padova 18 Novembre 2008 Ezio Torassa

Il “vecchio mondo” di oggi Generalizzare la descrizione delle forze: - unificandole quando possibile rendendole valide anche per piccole dimensioni ed elevate velocità (descrizione quantistica e relativistica) ha un prezzo, è più complessa la formula che le descrive. Equazione classica della forza indotta da un campo elettrico su una carica di prova q Equazione classica della forza indotta da un campo magnetico su una carica di prova q Padova 18 Novembre 2008 Ezio Torassa

Il “vecchio mondo” di oggi Equazione Modello Standard Padova 18 Novembre 2008 Ezio Torassa

Il “vecchio mondo” di oggi La forza gravitazionale è probabilmente la forza che ci è più familiare: non è compresa nel Modello Standard i suoi effetti sono piccolissimi nei processi tra le particelle Gravità Anche se la gravità agisce su ogni cosa, è una forza molto debole qualora le masse in gioco siano piccole La Relatività generale fornisce una descrizione della gravità relativistica ma non quantistica Padova 18 Novembre 2008 Ezio Torassa

L’acceleratore LHC e i suoi esperimenti 27 Km di circonferenza CMS LHCb ATLAS ALICE 4 esperimenti: ATLAS, CMS “general pourpuse” ALICE ioni pesanti - LHCb fisica del b Padova 18 Novembre 2008 Ezio Torassa

L’acceleratore LHC e i suoi esperimenti Padova 18 Novembre 2008 Ezio Torassa

L’acceleratore LHC e i suoi esperimenti Padova 18 Novembre 2008 Ezio Torassa

L’acceleratore LHC e i suoi esperimenti Padova 18 Novembre 2008 Ezio Torassa

L’acceleratore LHC e i suoi esperimenti Magneti superconduttori a -271 oC Campo magnetico di 8.3 Tesla (105 volte maggiore del campo della Terra) Padova 18 Novembre 2008 Ezio Torassa

L’acceleratore LHC e i suoi esperimenti Padova 18 Novembre 2008 Ezio Torassa

L’acceleratore LHC e i suoi esperimenti CMS Compact Muon Solenoid Padova 18 Novembre 2008 Ezio Torassa r = mv /q BT

L’acceleratore LHC e i suoi esperimenti ATLAS A Toroidal LHC ApparatuS Padova 18 Novembre 2008 Ezio Torassa

L’acceleratore LHC e i suoi esperimenti ALICE A Large Ion Collider Experiment LHCb Possiamo riassumere gli obiettivi dei 4 esperimenti di LHC in modo semplice ma facile da ricordare con il ritornello della canzone The Large Hadron Rap: LHCb sees where the antimatter’s gone ALICE looks at collisions of lead ions CMS and ATLAS are two of a kind They’re looking for whatever new particles they can find. Padova 18 Novembre 2008 Ezio Torassa

Energia e materia oscura Padova 18 Novembre 2008 Ezio Torassa

Energia e materia oscura Evidenza di materia oscura dalle curve di rotazione di galassie a spirale Lo studio delle galassie a spirale mostra che la curva della velocità di rotazione rimane costante, o piatta, all’aumentare della distanza dal centro galattico. Sulla base della teoria Newtoniana la velocità di rotazione dovrebbe diminuire per le componenti più lontane dal centro galattico: mv2 /r = G mM/r2 v2 = G M/r dove M è la massa entro il raggio r La curva di rotazione piatta suggerisce che le galassie sono circondate da una significativa quantità di materia oscura Padova 18 Novembre 2008 Ezio Torassa

Energia e materia oscura Padova 18 Novembre 2008 Ezio Torassa

Il modello cosmologico standard Energia e materia oscura Il modello cosmologico standard Nel 1929 Edwin Hubble, studiando lo spostamento verso il rosso di galassie distanti, scoprì che l’Universo si espande, e le galassie si allontanano l’una dall’altra ad una velocità data da un’espressione nota come legge di Hubble v = H0 r v e la velocità di recessione della galassia, r la sua distanza dall’osservatore, e H0 la costante di Hubble (oggi misurata accuratamente H0  70 km/s/Mpc). Edwin Hubble [1 Mpc ~ 3 milioni di anni luce  3 x 1019 km] Padova 18 Novembre 2008 Ezio Torassa

Energia e materia oscura Due galassie che distano tra loro un angolo a , nel caso di espansione dell’universo a velocità costante vr si allontanano tra loro con velocità proporzionale alla loro distanza: d = a r → vd = a vr = (d0 / r0) vr La legge di Hubble indica una espansione costante dell’universo con velocità data dalla costante di Hubble Padova 18 Novembre 2008 Ezio Torassa

Energia e materia oscura La misura della velocità dell'allontanamento di una galassia si può ottenere misurandone lo spostamento verso il rosso (redshift). Trovare invece la distanza è un problema più complesso. Per fare ciò è necessario trovare candele standard: oggetti la cui luminosità assoluta è nota, in modo tale da rapportare la luminosità apparente alla distanza. Tra questi oggetti standard vi sono le supernovae di tipo 1a. Si tratta di esplosioni che avvengono quando una nana bianca si trova in un sistema binario e inizia, con la sua attrazione gravitazionale, a inglobare materiale proveniente dalla sua compagna. Padova 18 Novembre 2008 Ezio Torassa

Energia e materia oscura Le osservazioni delle supernovae più distanti indicano che l'universo sta accelerando. In relatività generale ciò equivale ad una costante cosmologica di Einstein WL > 0 Queste osservazioni vengono spiegate postulando un tipo di energia con pressione negativa , l'energia oscura, che produce un effetto di antigravità. La densità stimata è di 10-29 gr/cm3. Padova 18 Novembre 2008 Ezio Torassa

Energia e materia oscura Il “budget” cosmico Solo circa il 4% del budget cosmico è sotto forma di materia ordinaria Circa il 23% del budget cosmico e’ fatto di Materia Oscura, una componente della quale percepiamo la presenza solo per via gravitazionale. Circa il 73% del contenuto energetico del nostro Universo e’ sotto forma di una componente “esotica”, chiamata Energia Oscura, che causa una forma di repulsione cosmica su grande scala tra gli oggetti celesti, mimando una sorta di effetto di anti-gravità. Padova 18 Novembre 2008 Ezio Torassa

Il “nuovo mondo” Il bosone di Higgs La teoria di Elettrodebole prevede anche un campo chiamato di Higgs. Le interazioni di questo campo con le particelle sono all’origine della massa di quest’ultime. La domanda: - “perchè la particella X ha massa mX ? ” si può tradurre in: “perchè la particella X ha un’interazione di intensità g con il campo di Higgs ?” Il campo di Higgs può anche interagire con se stesso quindi i quanti di questo campo (bosoni di Higgs) sono essi stessi dotati di massa. Purtroppo l’intensità dell’auto-interazione (e quindi la massa dell’Higgs) è un parametro libero della teoria. Padova 18 Novembre 2008 Ezio Torassa

Il “nuovo mondo” Le simulazioni indicano la possibilità di dimostrare l’esistenza del bosone di Higg in un tempo che varia notevolmente in funzione della sua massa. CMS Padova 18 Novembre 2008 Ezio Torassa

Il nuovo mondo Alcuni motivi per credere che il Modello Standard nella sua attuale formulazione sia una (buona) approssimazione di qualcosa di più complesso: considera i neutrini di massa nulla mentre le recenti osservazioni sulle loro oscillazioni dimostrano che hanno una massa molto piccola ma finita non include la gravitazione non spiega la dominanza di materia nel nostro Universo rispetto all’antimateria non suggerisce una soluzione al problema della Materia Oscura nell’Universo Padova 18 Novembre 2008 Ezio Torassa

Il “nuovo mondo” L’osservazione diretta di flussi di particelle costituenti la materia oscura non ha dato sino ad ora alcun risultato. Non a caso queste particelle sono state chiamate WIMP (Weak Interaction Massive Particle.). WIMP Padova 18 Novembre 2008 Ezio Torassa

Il “nuovo mondo” Recentemente è stato pubblicato uno studio sulla possibile influenza della materia oscura sul moto dei pianeti del sistema solare: Terza legge di Keplero: Valutando i possibili effetti di un alone di materia oscura sulle traiettorie dei pianeti si ricava che ddark matter < 100.000 protoni / cm3 Il valore atteso della densità è 0.3 protoni / cm3 Padova 18 Novembre 2008 Ezio Torassa

Il “nuovo mondo” Gli urti tra protoni ad elevata energia ad LHC permetteranno probabilmente di produrre eventi contenenti WIMP. Il rivelatore CMS non potrà fermarle ma evidenzierà la loro mancanza nell’evento. La produzione di WIMP sarà evidenziata con eventi fortemente sbilanciati con energia mancante ET Padova 18 Novembre 2008 Ezio Torassa

Il “nuovo mondo” Dal punto di vista teorico il Modello Standard può essere esteso con il Modello Super Simmetrico (SUSY). Per ogni particella attualmente conosciuta è previsto un partner supersimmetrico. Squark , Sleptone, Gluino, Gaugino, Photino, Higgsino L’Higgs “Standard” inoltre viene previsto in 5 diversi stati: h,H,A,H+,H- Padova 18 Novembre 2008 Ezio Torassa

Il “nuovo mondo” Le particelle supersimmetriche sono pesanti e decadono in particelle più leggere. La particella supersimmetrica più leggera di tutte chiamata neutralino è stabile. Il neutralino è il candidato più accreditato ad essere la famosa WIMP, la particella costituente della materia oscura. neutralino Padova 18 Novembre 2008 Ezio Torassa

Conclusioni Il Modello Standard descrive tutto ciò che abbiamo finora osservato con grande precisione! Padova 18 Novembre 2008 Ezio Torassa

Conclusioni strings (even) extra dimensions supersymmetry Le misure di LHC potrebbero fornirci un nuovo punto di vista Padova 18 Novembre 2008 Ezio Torassa

Backup Investigations have shown that a faulty electrical connection between two magnets (shown in red) was the cause of the incident in sector 3-4 of the LHC on 19 September. Padova 18 Novembre 2008 Ezio Torassa