La ricerca in Fisica delle Particelle Elementari Oggi Italo Mannelli SNS

La Scienza Moderna e’ nata con Copernico, Galileo, Newton e Leibniz circa 400 anni or sono. Le caratteristiche essenziali sono rimaste invariate Durante questi secoli: a)La necessita’ di sottoporre le ipotesi alla verifica sperimentale b)L’uso della matematica per formulare le teorie In modo quantitativo

c)La riproducibilita’ dei risultati d)Il necessario sviluppo degli strumenti per consentire nuove osservazioni Piu’specificamente per quanto riguarda lo studio dei costituenti della materia e delle loro interazioni e’rimasta fondamentale l’integrazione delle conoscenze ottenute in laboratorio con quelle dedotte dalle osservazioni astronomiche

Dopo il grande sviluppo della meccanica classica nel Settecento , della termodinamica e dell’ elettro- magnetismo nell’ Ottocento la sensazione fra un certo numero di scienzati era che ormai ci fosse rimasto poco da scoprire in Fisica. Sensazione certamente erronea se e’vero che il 2005 e’ stato dichiarato ANNO della FISICA per celebrare le scoperte nell’ ANNO MIRABILIS 1905 da parte di Einstein :

La spiegazione del moto Browniano che confermo’ inconfutabilmente l’ esistenza di MOLECOLE nella materia 2) La dimostrazione che le caratteristiche sperimentali dell’effetto foto-elettrico implicano la reale esistenza di QUANTI di energia elettromagnetica 3) La formulazione del principio di RELATIVITA’ esteso dalla meccanica (Galileo) all’elettromagnetismo che rivoluziona il concetto di SPAZIO e TEMPO

Gia’qualche anno addietro e’stato stimato che piu’ del 30% di tutte le attivita’ economiche e’ dovuto all’ utilizzazione di fenomeni governati dalla MECCANICA QUANTISTICA E RELATIVITA’ (Leon LEDERMAN, Premio Nobel 1988). Malgrado il grande progresso scientifico e le straordinarie ricadute sulla vita di tutti, nessuno ritiene che si sia prossimi a risolvere in linea di principio tutti I problemi della Fisica.

Ad ogni passo avanti nelle nuove conoscenze sono sorti NUOVI quesiti e si sono aperti nuovi ORIZZONTI. In particolare per quanto riguarda la Fisica delle Particelle elementari e’apparsa sempre piu’ necessaria e fruttifera la connessione con l’ Astronomia, la Astrofisica e la Cosmologia. Il tema unificante di ricerca per il prossimo futuro e’ l’ UNIVERSO QUANTISTICO

Gli esperimenti di fisica delle particelle agli acceleratori (ad esempio al CERN, FermiLab, SLAC, Futuro acceleratore lineare) ed in Laboratori sotterranei (GranSasso, Frejus, Sudbury, Kamiokande, Antartica) insieme a quelli sui raggi cosmici, sulle onde gravitazionali(Virgo, Ligo) o utilizando sonde e telescopi spaziali o terrestri offrono nuove opportunita’ per scoperte sulla natura fondamentale dell’ Universo

Osservazioni astronomiche, in particolare sulle proprieta' della radiazione cosmica di fondo, costringono i cosmoghi ad ammettere che il 95% dell'Universo e' costituito da MATERIA OSCURA e da una forma di ENERGIA OSCURA a carattere repulsivo, DIVERSE rispetto a qualunque cosa osservata anche nei piu' recenti ed avanzati esperimenti.

Questo significa che si sta aprendo un'era di scoperte teoriche e sperimentali di straordinaria importanza alla quale le nuove generazioni di fisici sono chiamate a dare il loro contributo. Alcune strade sono gia' indicate: si tratta di percorrerle per raggiungere un piu' approfondito livello di comprensione della NATURA.

Il panorama e’troppo vasto per essere riassunto in qualche ora e pertanto ho pensato di esporvi due tematiche: 1)Le recenti scoperte e le prospettive della fisica dei NEUTRINI 2)La relazione fra MATERIA ed ANTIMATERIA ed in particolare la VIOLAZIONE della SIMMETRIA CP

L’esistenza del NEUTRINO fu POSTULATA da Pauli nel 1930 per evitare di dover ammettere che nel decadimento radioattivo BETA dei nuclei fosse violato il principio di conservazione dell’energia. Fermi formulo’nel 1932 la teoria basata su questa ipotesi , confermata sperimentalmente con la rivelazione dei (anti)neutrini prodotti in reattori nucleari solo nel 1957.

Bethe nel 1939 spiego’ il meccanismo di produzione dell’ energia nel SOLE come conseguente ad una serie di fusioni nucleari che, partendo da uno stato iniziale di quattro protoni, terminano con un nucleo di Elio piu’ 2 neutrini di tipo “e” (e fotoni). Conseguentemente, dalla misura dei parametri solari puo’ essere dedotto il flusso di questi neutrini che raggiungono la terra (10e12/cm2/s).

Nel decadimento di alcune particelle sono stati individuati altri due tipi di neutrino (tipo mu e tipo tau) Se i neutrini hanno massa ZERO essi sono stabili Ma in caso di massa non nulla allora, secondo un ipotesi avanzata per primo da Pontecorvo negli anni sessanta, essi possono OSCILLARE ,da un tipo all’altro, durante la loro propagazione temporale. Effettivamente i risultati di due esperimenti hanno portato a concludere:

Esperimento SNO: il modello SOLARE e’corretto entro qualche percento b) Esperimento SUPERKAMIOKANDE: I neutrini solari nel loro viaggio dal sole a noi per circa il 50% si sono effettivamente trasformati da tipo beta a tipo mu o tau COMPITO PER IL PROSSIMO FUTURO Determinare i valori delle masse dei neutrini, i parametri delle oscillazioni e nel caso sia provato che neutrini ed antineutrini NON sono identici (neutrini di FERMI)

determinare SE le oscillazioni dei neutrini ed antineutrini rispettano la SIMMETRIA CP per invarianza sotto Coniugazione di carica (cioe’ scambio particella-antiparticella) ed invarianza per Parita’ (cioe’ riflessione spaziale). I quesiti di cui sopra non sono puramente ACCADEMICI ma hanno grande rilevanza COSMOLOGICA nel senso che la massa non nulla dei neutrini contribuisce naturalmente alla MASSA dell’ UNIVERSO e l’eventuale violazione di CP

potrebbe essere la chiave per spiegare l’apparente ASSENZA di ANTIMATERIA almeno nella nostra GALASSIA. La GARA e’ aperta per chi INVENTA il modo piu’ efficace per rispondere a questi quesiti, CONVINCE gli ENTI (come l’INFN in Italia) preposti a questo tipo di ricerche a FINANZIARE il progetto ed i COMITATI SCIENTIFICI dei Laboratori (CERN….) Eventualmente coinvolti ad APPROVARLO.

DOPO non resta altro che la parte PIU’ DIFFICILE dell’impresa, cioe’realizzare la costruzione delle sorgenti di neutrini e degli apparati sperimentali necessari, la raccolta dei dati e l’analisi fino ad estrarne obbiettivamente i risultati, per concludere la fatica con la stesura del lavoro per la PUBBLICAZIONE cosi’ da renderli disponibili alla comunita’ scientifica La RICOMPENSA ultima essendo la STIMA dei

dei COLLEGHI ed eventualmente l’ attribuzione di un PREMIO per merito scientifico. Naturalmente quanto sopra presuppone che sia stato disponibile, in una qualche forma, un POSTO di RICERCATORE, possibilmente a tempo indeterminato, vista la durata almeno decennale prevedibile per una tale AVVENTURA scientifica….

Parlando di neutrini ho toccato brevemente il problema della simmetria CP, perche’questo sara’ l’aspetto su cui in assenza attualmente di una qualsiasi informazione sperimentale in proposito si concentrera’ molto probabilmente l’ interesse della ricerca in questo campo. Nel settore dei QUARKS -- costituenti fondamentali della materia assieme ai LEPTONI (elettroni, mesoni mu e tau con I loro neutrini) ed ai GLUONI, mediatori

dell’interazione FORTE ed ai MESONI VETTORIALI, mediatori dell’ interazione elettro-debole – la violazione della simmetria CP e’stata scoperta nel 1964 e la ricerca Teorica e sperimentale e’stata portata avanti intensamente da allora con risultati particolarmente significativi, raggiunti a partire dagli anni novanta, a seguito di esperimenti dedicati al CERN ed al FermiLab ed alla costruzione a Stanford e Tsukuba di macchine a collisione Elettrone-positrone e rispettivi apparati sperimentali.

Inizialmente, per piu’ di un decennio, la violazione di CP apparve come una curiosita’ limitata ad un unico caso che richiedeva di utilizzare i principi della meccanica quantistica per caratterizzarlo. Successivamente, con il graduale sviluppo del cosidetto Modello Standard, in cui al momento attuale trovano collocazione tutti i fatti sperimentali finora noti e con la realizzazione che con almeno tre famiglie di quarks la teoria possedeva un sufficiente numero

gradi di liberta’ da poter includere la rottura della simmetria CP, questo campo di ricerca ha assunto una nuova rilevanza. Innanzi tutto perche’ per la prima volta, come indicato da Sakharov nel 1967, si intravedeva un meccanismo per rendere conto del fatto che, a partire da un BIG BANG in cui la materia e l’ antimateria(in qualunque modello proposto) erano create in eguale proporzione, nello svi- luppo successivo una violazione di simmetria al livello

di una parte su un miliardo, accoppiata all’ assenza di equilibrio termodinamico ed ad un necessario (seppure infinitesimo) grado di instabilita’ dei protoni, poteva indurre la scomparsa della antimateria e produrre un rapporto fra fotoni ed atomi nell Universo come effettivamente osservato (dell'ordine di 10 miliardi). L’altro motivo di interesse era l ‘aspettativa teorica che questo sottile fenomeno di violazione di simmetria potesse essere la manifestazione di una fenomenologia

che andava OLTRE il MODELLO STANDARD e che sarebbe divenuta direttamente palese solo ad una scala di energia piu’ elevata di quella raggiunta finora. Gli esperimenti sui mesoni K (Cern e FermiLab) hanno raggiunto una sensibilita’ed accuratezza sufficiente a mettere in evidenza la violazione DIRETTA (quindi non soltanto nello sviluppo della sovrapposizione Quantistica degli stati) nel decadimento di questi mesoni e piu’recentemente una serie di risultati sui decadimenti

di mesoni contenenti quarks di tipo b (SLAC e KEK) hanno fornito dati di grande interesse teorico. In generale le misure sono tutte inquadrabili nell’ ambito del modello standard, ma la crescente sensibilita’ fa sperare che possano emergere elementi di NUOVA FISICA

Alla ricerca di NUOVA FISICA e’ destinato innanzi tutto il nuovo acceleratore L H C a collisioni protone-protone di 8 TeV contro 8 TeV e nucleo-nucleo, in fase di completamento al CERN, che e’ previsto entrare in funzione nel 2007 insieme a quattro apparati sperimentali -- i piu’ complessi e raffinati mai costruiti nel mondo.

Una delle motivazioni piu' importanti per la costruzione di LHC e' la ricerca dei cosidetti BOSONI di HIGGS dal nome del fisico che per primo ha postulato un principio per spiegare l'ORIGINE della MASSA dei costituenti ELEMENTARI della materia. Mentre dalla ben nota relazione fra massa ed energia E = M.c2

si puo' assumere che la massa di oggetti composti come protoni e neutroni derivi principalmente (od anche totalmente in caso di costituenti di massa nulla) dalla energia cinetica dei costituenti confinati al loro interno, per quanto riguarda le particelle elementari la massa deve derivare dalla loro interazione con un campo che pervade lo spazio

i cui QUANTI sarebbero i BOSONI di HIGGS. Le proprieta' di tali bosoni (eccetto la loro massa di cui si sa soltanto dagli esperimenti finora effettuati che deve essere maggiore di circa 110 volte la massa del protone) sono specificate dalla teoria, che potra' essere pertanto verificata (o smentita....!) gia' nei primi due o tre anni di funzionamento di LHC

La sperimentazione ad LHC potra' anche portare alla prova della esistenza della SUPERSIMMETRIA che potrebbe permettere l'estensione della teoria standard in modo da spiegare in particolare la natura della MATERIA OSCURA , riconosciuta ormai come un costituente essenziale (per i suoi effetti gravitazionali) dell' UNIVERSO.

Infine la supersimmetria permetterebbe di prevedere l' UNIFICAZIONE delle costanti di accoppiamento di tutte le forze della NATURA ad energia altissima, implicando fra l'altro la possibilita' di disintegrazione spontanea del protone, ingrediente NECESSARIO (anche se di per se non sufficiente) per spiegare la attuale ASSENZA di ANTIMATERIA.

CERN Site LHC SPS CERN Site (Meyrin)

CERN Member States

CERN Users

CMS – Compact Muon Solenoid

CMS sezione traversa

Atlas toroide

Atlas bobina

Puzzle

Answer Make a “cut” on the Transverse momentum Of the tracks: pT>2 GeV