Che cosa è il bosone di Higgs appena scoperto al CERN Claudio Luci Sapienza Università di Roma e INFN sezione di Roma1 Il bosone e la montagna Che cosa è il bosone di Higgs appena scoperto al CERN Ascoli Piceno 17 novembre 2012

L’origine del nome (errato) Libro scritto nel 1993, è una sorta di autobiografia di Lederman Titolo “originale”: The goddamn particle (La particella dannata). L’editore lo ha cambiato in: The God particle.

Indice La ricerca dell’atomo di Democrito Le interazioni fondamentali I raggi cosmici e lo zoo delle particelle elementari quark e leptoni Le teorie di gauge Il Modello Standard ed il meccanismo di Higgs La ricerca del Bosone di Higgs Il CERN, LHC, ATLAS Trovato (?)

Quali sono i costituenti elementari della materia? Fisica delle particelle Quali sono i costituenti elementari della materia? Domande Quali sono le forze che controllano il loro comportamento al livello fondamentale?

Di cosa sono fatte le cose: dal complesso al semplice Partendo dagli stessi componenti elementari: mattoni cemento sabbia e acqua ferro legno Si può avere Tufo Tutti gli edifici sono fatti di: mattoni, cemento, sabbia, acqua, ferro, legno

Dal complesso al semplice E di cosa sono fatti i mattoni, il cemento, la sabbia, l’acqua, il ferro, il legno? I filosofi greci (Empedocle) ipotizzarono che tutte le cose fossero formate da quattro elementi: acqua, terra, fuoco e aria. Democrito ipotizzò che il mattone elementare comune a tutte le cose fosse l’atomo (indivisibile).

I “chimici”: scoperta degli atomi Boyle(1627-91); Gay-Lussac (1778-1850) : studio delle proprietà dei gas Proust (1754-1826): proporzioni costanti Lavoisier (1743-94): conservazione della massa Dalton(1766-1844): “pesa” gli atomi Avogadro(1776-1856): molecole Dalton, eseguendo degli esperimenti su delle reazioni chimiche, ed utilizzando i risultati precedenti di altri ricercatori, formula la teoria seguente: La materia è formata da particelle indivisibili e indistruttibili: gli atomi Atomi di elementi diversi sono diversi tra loro e hanno masse diverse I composti sono sostanze pure formate da due o più atomi diversi che si combinano secondo un rapporto definito Avogadro: le reazioni chimiche avvengono tra molecole e non tra atomi. (La molecola è la più piccola aggregazione di atomi di una stessa sostanza).

Mendeleyev (1834-1907) N.B. NON SONO GLI ATOMI DI DEMOCRITO ``QUESTI `` ATOMI SONO OGGETTI COMPOSTI DA ALTRE PARTICELLE. LA RICERCA DEGLI ATOMI DI DEMOCRITO CONTINUA Tutte le sostanze possono essere descritte in termini di diverse composizioni di “soli” 105 atomi. A intervalli regolari si presentano elementi con proprietà chimiche analoghe

L’atomo di Rutherford Tutta la massa dell’atomo è concentrata nel nucleo con gli elettroni che ruotano intorno ad esso legati dalla forza elettromagnetica. elettrone nucleo Il nucleo è costituito da protoni e neutroni. Essi sono tenuti insieme dalla forza nucleare forte. [Protoni e neutroni sono formati da quark (scoperti negli anni ’60).] La materia è composta da elettroni, protoni e neutroni Dimensioni dell’atomo ~ 10 -10 m Dimensioni del nucleo ~ 10 -14 Gli atomi si distinguono tra loro dal numero di protoni che possiedono Problema: l’atomo di Rutherford spiega la diffusione delle particelle α, però è instabile. Non può esistere. Soluzione: meccanica quantistica (1927).

E le forze?

Alcune forze MA QUANTE SONO? forza di gravità forza di attrito tensione della corda reazione vincolare normale ancora: forza elastica (molla) ``forza’’ adesiva (colla) forza elettrostatica forza magnetica (calamita) …. e molte altre MA QUANTE SONO?

Newton: prima unificazione Forza gravitazionale [ N.B. m è la massa (gravitazionale) di un corpo] Problema: interazione a distanza

Seconda unificazione: Maxwell Forza elettrostatica Forza magnetostatica Luce Equazioni di Maxwell (inserimento della corrente di spostamento) Forza elettromagnetica Predizione delle onde elettromagnetiche, rivelate poi da Hertz Problema: necessità dell’etere per la propagazione delle onde e.m. N.B. tutte le forze di contatto e le reazioni chimiche sono manistazioni delle forza elettromagnetica.

Torniamo al nucleo: forza forte Rutherford scopre il protone (1919) Il nucleo deve avere tanti protoni quanti sono gli elettroni Il nucleo contiene la massa di tutto l’atomo (mp=1836 • me) NON VA BENE! Il nucleo sarebbe troppo leggero. La massa dei protoni è circa la metà della massa dell’atomo Deve esserci qualcos’altro dentro il nucleo IPOTESI: particella simile al protone ma senza carica: il neutrone. 1932: scoperta del neutrone (Chadwick). Il nucleo è composto da protoni e neutroni. DOMANDA: che cosa tiene insieme i protoni dentro il nucleo? La forza elettrostatica respinge i protoni uno dall’altro. RISPOSTA: forza forte.

Un’altra forza: forza debole 1896: scoperta della radioattività naturale Il decadimento beta trasforma un elemento in un altro I raggi gamma sono fotoni (interazione e.m.) I raggi alpha sono nuclei di elio (interazione forte) I raggi beta sono elettroni (interazione debole) (in presenza di un campo megnetico)

Decadimento β: il sogno di Cagliostro Un nucleo si trasforma in un altro emettendo un elettrone (radiazione β) Problema: non si conserva l’energia, la quantità di moto e il momento angolare. Soluzione: W.Pauli ipotizzò che un’altra particella neutra, senza massa, venisse emessa insieme con l’elettrone (1930). E.Fermi: formulò teoria del decadimento β e chiamò la nuova particella neutrino. Il fenomeno elementare è il decadimento del neutrone. La forza responsabile del decadimento è la forza debole.

Problema: interazioni a distanza Soluzione: avvengono tramite lo scambio di una particella mediatrice Le particelle di materia interagiscono a distanza scambiandosi una particella mediatrice della forza La teoria (quantistica) che descrive le interazioni tra particelle deve tener conto dello scambio di questa particella.

Interazione elettromagnetica Il mediatore è il fotone (quanto del campo elettromagnetico). Il fotone ha massa nulla, quindi il raggio di azione della forza e.m. è infinito N.B. risolto il problema dell’etere. Le onde elettromagnetiche sono costituite da fotoni, i quali possono propagarsi tranquillamente anche nello spazio vuoto (anzi, seguendo Democrito, si propagano SOLTANTO nello spazio vuoto).

Dove eravamo nel ~1935? Gli atomi sono formati da tre particelle elementari: elettrone, protone e neutrone. Ipotesi del neutrino (rivelato sperimentalmente nel 1954) Vi sono 4 forze fondamentali tramite le quali le particelle interagiscono: - forza forte: agisce sui nucleoni (adroni). Range ~ 10 -15 m - forza e.m.: agisce sulle particelle cariche. Range infinito. - forza gravitazionale: agisce su tutte le particelle. Range infinito. - forza debole: agisce su tutte le particelle. Scoperta del positrone (anti-elettrone) nel 1932, ipotizzato da Dirac nel 1928. Scoperta del mesotrone, particella prevista da Yukawa nella teoria della forza forte. AVEVAMO CAPITO TUTTO (O QUASI!)

I raggi cosmici Furono scoperti da V.Hesse nel 1912. Sono costituiti da 86% protoni, 12% α ed il restante 2% da altri nuclei. Scoperta del positrone (1932) Scoperta del mesotrone (1937) identificato poi da Conversi, Pancini e Piccioni nel 1947 essere in realtà il muone, una replica pesante dell’elettrone e Scoperta del π nel 1947, seguita dalla scoperta di particelle “strane”, qualcuna più pesante del protone. Studiare i raggi cosmici era difficile: esperimenti in alta quota, flusso ed energia non controllati. Si volle riprodurre allora l’interazione primaria in laboratorio accelerando protoni (o elettroni) e facendoli collidere con dei bersagli fissi.

Facciamo una pausa

I fisici e la montagna Amaldi (1927) Edoardo Amaldi a Campo Imperatore (1926) Amaldi è uno dei ragazzi di Fermi ed è il ``padre’’ del CERN e dell’INFN Tessera del CAI di Amaldi

I fisici e la montagna Enrico Persico sugli sci. Di lui si diceva scherzo-samente che avesse inventato lo "sci adiabatico", per la lentez-za con cui riusciva a scen-dere da qualunque pendio. Edoardo Amaldi e Enrico Ciaranfi sulla cengia della via Chiaraviglio al Corno Piccolo del Gran Sasso, settembre 1927 Assicurato dall’alto dai fratelli Salvadori, Edoardo Amaldi in arrampicata (Dolomiti di Cortina d’Ampezzo, agosto 1927)

I fisici e la montagna Enrico Fermi fa del "bouldering" sotto lo sguardo critico di Edoardo Amaldi e Enrico Persico. Estate 1938, ultime vacanze in gruppo prima della promulgazione delle leggi razziali, a San Martino di Castrozza Edoardo Amaldi, Gilberto Bernardini e Ettore Pancini al laboratorio della Testa Grigia, al Plateau Rosa sopra Cervinia.

Torniamo a lavorare

Come si creano nuove particelle Quando due particelle elementari (elettrone, protone, pione, etc…) urtano tra di loro ed hanno energia sufficiente, possono produrre nuove particelle che prima dell’urto non esistevano. E = mc2 Esempio: p + n → p + p + π - (il neutrone si trasforma in un protone ed un pione negativo) N.B. Nell’urto vanno rispettate alcune leggi di conservazione: energia, carica, momento angolare, numero barionico, numero leptonico, parità, etc…

Acceleratori: principio di funzionamento Campo elettrico: accelera. Campo magnetico: curva Unita di misura energia: eV Raggio di ciclotrone Primo ciclotrone costruito da E.Lawrence a Berkeley nel 1930 Particelle α decadimenti radioattivi: 1÷5 MeV 1939: ciclotrone 1.5 m di diametro: 19 MeV. Massima energia di un ciclotrone: 25 MeV Prossimo passo: sincrotrone

E l’uomo creò i raggi cosmici 1952: BNL (Brookhaven National Laboratory, Long Island), COSMOTRONE Protoni da 3 GeV. 2000 Ton. di ferro. 20 m di diametro. Conferma la produzione associata delle particelle strane. 1954: LBL (Lawrence-Berkeley Laboratory, California), BEVATRONE Protoni da 6 GeV. 10000 Ton. di ferro. E. Segrè scopre l’antiprotone (premio Nobel nel 1959). 1957: Dubna, SINCROFASATRONONE. 10 GeV, 36000 Ton. di ferro! Per andare ad energie più alte occorreva un’idea per ridurre la quantità di ferro dei magneti. Livingston inventa il focheggiamento forte (1952).

Il CERN entra in gioco Il CERN è il laboratorio europeo per la fisica delle particelle fondato nel 1954, vicino Ginevra, grazie anche ad Edoardo Amaldi. 1959: CERN, ProtoSincrotrone PS, 24 GeV, 3200 Ton., diametro 200 m 1960: BNL, AGS, 33 GeV, 4000 Ton., diametro 257 m Inizia il “boom economico” anche per la fisica delle particelle. Dapprima nei raggi cosmici, e poi con i nuovi acceleratori, vengono scoperte molte nuove particelle, troppe. C’è molto lavoro anche per i fisici teorici. E.Fermi ad un suo studente (L.Lederman): “ragazzo, se fossi in grado di ricordare il nome di tutte queste particelle, sarei diventato un botanico”. La prima risonanza scoperta da Fermi nel 1953 a Chicago, la Δ, suggerisce che il protone potrebbe non essere una particella fondamentale

E vennero ... i quark! Per mettere ordine nello zoo di particelle, Gell-Mann e Neeman, proposero uno schema di classificazione basato su delle simmetrie (SU(3)), che chiamarono : “la via dell’ottetto”. La via dell’ottetto prevedeva una nuova particella (1962), Ω-, scoperta nel 1964. Per spiegare la simmetria, Gell-Mann e Zweig, ipotizzarono che le particelle soggette all’interazione forte fossero composte da particelle elementari. Gell-Mann chiamò le nuove particelle: “quark”. “Three quarks for Muster Mark” – James Joice’s Finnegans Wake I quark sono oggetti molto bizzarri con carica frazionaria. C’era molta riluttanza nell’accettarli. Barioni: 3 quark Mesoni: un quark ed un antiquark n p quark carica stranezza up +2/3 e down -1/3 e strange -1

Gli atomi di Democrito (Visto!)

Torniamo alla Teoria

Cosa deve fare la ``teoria’’? deve calcolare sezioni d’urto, cioè la probabilità che in un urto tra due particelle si abbia un dato stato finale deve calcolare larghezze parziali, cioè la probabilità che una particella decada in un dato stato finale. Dato che al massimo la probabilità può essere uno (certezza assoluta), se un calcolo da come risultato della probabilità un numero maggiore di uno, vuol dire che la teoria è sbagliata (violazione dell’unitarietà) N.B. se le predizioni teoriche non sono in accordo con le misure sperimentali, la teoria non è corretta.

Invarianza di gauge In m.q. lo stato di un sistema è descritto da una funzione d’onda: il modulo quadro della funzione d’onda esprime la probabilità di trovare il sistema in un certo stato La probabilità non cambia se moltiplico la funzione d’onda per un ``fattore di fase `` (invarianza di gauge) Quando si ``costruisce’’ una nuova teoria, occorre rispettare l’invarianza di gauge (e di tutte le altre simmetrie della natura).

Elettrodinamica quantistica (QED) Nel 1947 Feynman, Schwinger e Tomonaga risolvono il problema degli infiniti nella QED. Si dice che la teoria diventa rinormalizzabile. La teoria deve essere invariante per una trasformazione di gauge locale. Per fare ciò si deve introdurre una derivata covariante ed un bosone di gauge (il fotone), che diventa il mediatore dell’interazione elettromagnetica. L’interazione tra il fotone e l’elettrone viene incorporata nella teoria in maniera automatica. Si cerca di applicare la stessa tecnica dell’invarianza di gauge alle interazioni forti e alle interazioni deboli, ma con maggiore difficoltà

Unificazione elettrodebole E invece malissimo. Il modello funziona solo se tutte le particelle, fermioni e bosoni di gauge, hanno massa nulla, altrimenti si rompe la simmetria di gauge. La teoria di Fermi delle interazioni deboli va bene a basse energie, ma ad alte energie ``diverge’’. Per risolvere il problema si cercò di unificare le interazioni deboli con la forza elettromagnetica. Nel 1961 Glashow, nella sua tesi di dottorato, propose un modello basato sulla simmetria di gauge locale: Il modello prevede l’esistenza di 4 bosoni di gauge: W+, W- e Z per le interazioni deboli ed il fotone per l’interazione elettromagnetica. Benissimo.

Non si riesce a trovare il modo di dare massa alle particelle senza violare la simmetria di gauge

N.B. Dalla Lagrangiana si ricavano le equazioni del moto Meccanismo di Higgs Finché nel 1964 arrivano i nostri: Brout-Englert, Higgs e Guralnik-Hagen-Kibble Pubblicano dei lavori sulla rottura spontanea di una simmetria continua, invariante per una trasformazione di gauge locale (teorema di Goldstone più bosoni di gauge) La Lagrangiana è simmetrica, ma la scelta di un qualsiasi stato fondamentale rompe la simmetria. N.B. Dalla Lagrangiana si ricavano le equazioni del moto

Arriva Weinberg: il Modello Standard Nel 1967 Weinberg applica il meccanismo di Higgs alla teoria elettrodebole di Glashow e … … avviene il miracolo. I fermioni (cioè i costituenti della materia) ed i bosoni di gauge (cioè i mediatori delle intera-zioni deboli più il fotone) acquistano massa (il fotone rimane senza massa) e la teoria non rompe l’invarianza di gauge. Però … rimane un problema. L’applicazione di questo meccanismo prevede l’esistenza di una particella neutra a spin 0, la cui massa non è prevista: il bosone di Higgs Inizia la caccia ai bosoni W, Z e H

Lagrangiana elettrodebole completa Lagrangiana elettrodebole invariante per trasformazione di gauge: Aggiungiamo alla Lagrangiana quattro campi scalari reali φi per dare massa ai bosoni di gauge tramite il meccanismo della rottura spontanea della simmetria. Aggiungiamo alla Lagrangiana un’interazione tra i fermioni ed il campo φ per dare massa ai fermioni: Che cosa è questo campo φ? BOH!

Il Nobel di Rubbia Nel 1976 entrò in funzione al CERN l’SPS, un acceleratore di protoni da 400 GeV, 2 km di diametro. L’energia non era però sufficiente per produrre W e Z, la cui massa stimata era di 80÷90 GeV. L’idea di Rubbia fu di trasformare l’SPS in un Collisore protone-antiprotone, seguendo quanto era stato fatto a Frascati con Adone, il collisore e+e- dove particella e antiparticella girano nello stesso anello in senso contrario. Il problema era avere un numero sufficiente di antiprotoni idonei da far collidere con i protoni (risolto da S.van der Meer con il raffreddamento stocastico). Nel 1978 parte il progetto SppS (270 + 270 GeV). - Nel 1983 furono prodotti i primi W e Z rivelati nei detector UA1 (Rubbia) e UA2. 1984: premio Nobel a Rubbia e van der Meer

LHC Le ricerche di Lep, un collider e+e- , concluse nel 2000, hanno messo un limite inferiore alla massa del bosone di Higgs (114 GeV). Nel dicembre 1994 il CERN approva ufficialmente la costruzione di LHC (Large Hadron Collider). Si tratta di un collisore protone-protone con magneti superconduttori di 8 T, da istallare nel tunnel del LEP. Obiettivo principale di LHC: scoperta del bosone di Higgs. LHC è entrato in funzione a dicembre 2009. Nel 2010 e 2011 ha funzionato con un’energia del centro di massa di 7 TeV (quella di progetto è di 14 TeV). I fasci di protoni si incrociano con una frequenza di 40 MHz (ogni 25 ns). Sul collisore vi sono due esperimenti principali (ATLAS e CMS), più due esperimenti ``specializzati’’ (LHCb e ALICE) ed altri due ``piccoli’’ esperimenti (TOTEM e LHCf). LHC è stata una sfida tecnologica a tutti i livelli, pari al progetto Manhattan o allo sbarco sulla Luna, ma con mezzi e organizzazione completamente diversi.

LHC: vista aerea Lake of Geneva CMS Jura aereoporto 9 km ATLAS SPS Francia Svizzera CERN aereoporto Alice ATLAS CMS LHCb

I dipoli di LHC 1233 dipoli principali 14.3 m di lunghezza ognuno 8.33 Tesla (max nel ferro 2 T) 11.7 kA (bobina superconduttrice) Le bobine superconduttrici sono raffreddate a 1.9 K (la radiazione di fondo cosmica è a 2.7 K). LHC è il punto più freddo dell’universo.

Dipoli di LHC nel tunnel

ATLAS 25 m 46 m Precisione meccanica nella costruzione e allineamento delle camere a muoni: 20 μm! Nell’esperimento ATLAS lavorano circa 3500 fisici di tutto il mondo.

ATLAS: fotomontaggio

Bosone di Higgs: trovato? Ad una massa di 125 GeV c’è un eccesso di eventi spiegabili con la creazione di una nuova particella, forse il bosone di Higgs.

Il bosone di Higgs spiegato da D. Miller Per questa spiegazione Miller ha vinto una bottiglia di champagne offerta da Lord Waldegrave (ministro della Scienza Britannico nel 1993). Una celebrità entra in una stanza e tutti gli vanno intorno per parlargli, in modo tale che lui ha difficoltà a muoversi (acquista massa) Campo di Higgs

Il bosone di Higgs spiegato da D. Miller A volte nella stanza (campo di Higgs) non entra nessuno, ma si diffonde un pettegolezzo Un pò di gente può raggrupparsi per discutere del pettegolezzo. Questo è l’equivalente del bosone di Higgs che acquista massa grazie allo stesso meccanismo. Bosone di Higgs

Conclusioni I costituenti fondamentali della materia sono i leptoni e i quark! Le interazioni fondamentali sono 4: forte, e.m., debole e gravitazionale. L’interazione e.m e l’interazione debole sono “descritte” dalla medesima teoria, il Modello Standard (le interazioni forti sono descritte dalla QCD). Abbiamo (forse) trovato il bosone di Higgs, quindi il meccanismo di Higgs è corretto. (Servono più dati per misurare le proprietà della nuova particella) Non sappiamo ancora cosa sia questo campo di Higgs che permea tutto l’universo. Abbiamo un altro etere? Altre domande ancora senza risposte, ad esempio: - l’uguaglianza della carica elettrica del protone e dell’elettrone, - perché esistono tre famiglie di particelle - perché vi è una netta separazione tra “fermioni” e “bosoni” - dove è finita l’antimateria

GRAZIE A TUTTI … e spero di non avervi annoiato troppo