Cosmo e Particelle (Introduzione alla scoperta del Bosone di Higgs) Marco G. Giammarchi Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Via Celoria 16 – 20133 Milano (Italy) marco.giammarchi@mi.infn.it http://pcgiammarchi.mi.infn.it/giammarchi/ Outline: Le Particelle fondamentali 2. Le Forze fondamentali 3. L’Universo a particelle Il Modello Standard ( M. Fanti, 22/11/2012) Planetario Milano - 20/11/2012

1. Le Particelle fondamentali Cosa abbiamo imparato (a scuola) ? Materia: composta da costituenti fondamentali: Molecole, Atomi, Nuclei Ossigeno Idrogeno Molecole: costituenti della materia Ipotizzate per comprendere la Chimica Leggi di Dalton e di Avogadro (1803-1811) Dimostrazione sperimentale finale: Perrin (1911) Planetario Milano - 20/11/2012

A loro volta le Molecole sono composte da Atomi Atomo = Nucleo, Elettroni Nucleo = Protoni, Neutroni L’Elettrone: una particella davvero elementare Diversi tipi di atomi: La Tavola Periodica Planetario Milano - 20/11/2012

La materia è suddivisa ma non all’infinito. Parmenides (circa 500 AC), Zenon (circa 490 – 430 AC): l’esperienza della molteplicità è negabile. La materia è divisibile e suddivisa all’infinito. La divisione infinita della estensione fornisce come risultato zero, il niente, e quindi la molteplicità in cui consiste l’estensione corporea non esiste, è opinione illusoria. Demokritos (circa 460 – 370 AC): l’esperienza della molteplicità è innegabile La materia è suddivisa ma non all’infinito. A-tomos, indivisibile. Venne introdotto per fermare il processo di “riduzione al nulla” dell’estensione spaziale (Parmenide, Zenone). L’atomo è il punto in cui tale processo si ferma. Il senso in cui tutto ciò era inteso è diverso dal senso moderno di scienza. La Fisica delle Particelle come scienza moderna inizia nel 1930 circa. Planetario Milano - 20/11/2012

A loro volta i protoni e i neutroni sono composti da: I quark (costituenti un protone o un neutrone) sono particelle elementari quark PROTONE quark quark Le particelle “elementari” sono quelle che costituiscono tutte le altre e che non hanno una loro struttura interna. Sono i mattoni costruttivi dell’Universo Planetario Milano - 20/11/2012

Decadono in particelle stabili Costituenti fondamentali della materia: Quark e Leptoni Materia ordinaria Sono elementari al meglio di 10-18 m Hanno spin e carica ben definiti Costituiscono la materia in condizioni ordinarie Massa Costituiscono le particelle instabili Decadono in particelle stabili Planetario Milano - 20/11/2012

prendere particelle cariche Come si studiano le particelle elementari? Ad esempio in esperimenti con acceleratori di particelle. Ricetta: prendere particelle cariche accelerarle con sistemi elettrici e magnetici (acceleratori) farle urtare tra loro Tunnel di LHC, CERN (Ginevra) Nei grandi laboratori sistemi complessi di acceleratori portano particelle a energie elevatissime Negli urti tra queste particelle, altre particelle vengono prodotte. Massa si trasforma in energia e viceversa Planetario Milano - 20/11/2012

Esperimenti su particelle ai grandi acceleratori: CMS al CERN di Ginevra Sistemi complessi composti da rivelatori specializzati CDF al Fermilab (Chicago) ATLAS al CERN di Ginevra Planetario Milano - 20/11/2012

Continua trasformazione di energia in massa e viceversa Le particelle elementari, urtandosi tra di loro, creano altre particelle Continua trasformazione di energia in massa e viceversa Planetario Milano - 20/11/2012 9

2. Le Interazioni fondamentali Quali sono le forze che tengono insieme gli atomi e i nuclei ? L’atomo di Idrogeno (deuterio) I quark stanno insieme nel nucleo Il nucleo e gli elettroni sono legati tra loro 10-15 m 10-10 m Quarks, elettroni, fotoni come particelle fondamentali nell’atomo Planetario Milano - 20/11/2012 10

Le forze fondamentali in natura Gravità Forza nucleare forte Forza nucleare debole Idea guida: spiegare tutti i fenomeni fondamentali con queste interazioni Elettromagnetismo Planetario Milano - 20/11/2012 11 11

Azione istantanea a distanza Campo (Faraday, Maxwell) Il concetto di forza In fisica classica: Azione istantanea a distanza Campo (Faraday, Maxwell) In fisica quantistica Scambio di quanti Planetario Milano - 20/11/2012

Elettromagnetismo Riguarda tutte le particelle dotate di carica elettrica (quark, leptoni, W) Responsabile del legame tra particelle cariche:ad esempio la stabilita’ atomica Costante di accoppiamento: carica elettrica Raggio di azione della forza: infinito La teoria classica: equazioni di Maxwell (1861) F: Tensore campo elettromagnetico J: 4-corrente Planetario Milano - 20/11/2012 13 13

Gravità Riguarda tutte le forme di energia (tra cui la massa) dell’Universo Responsabile del legame tra corpi macroscopici Teoria di campo classica (Newton, 1687) per le masse. Potenziale gravitazionale Densita’ di massa Teoria di campo “geometrizzata” (Einstein, 1915) Relativita’ Generale Il principio di equivalenza tra massa inerziale e massa (carica) gravitazionale ha permesso di considerare la gravita’ come una proprieta’ del background spaziotemporale) Lontano da masse/energie (spaziotempo piatto) Tensore di Einstein Costante cosmologica Tensore Energia-Momento Tensore Metrico Planetario Milano - 20/11/2012 14 14

Interazioni deboli a corrente carica: decadimento beta dei nuclei: Forza Nucleare Debole Riguarda quark e leptoni (portatori di una “carica debole”) Di norma il processo Debole e’ trascurabile perche’ processi Elettromagnetici e Nucleari Forti hanno il sopravvento. I processi Deboli sono invece la norma quando: Vengono violate leggi di conservazione (conservate nelle interazioni EM o Forti) Intervengono particelle non cariche e/o prive di Interazione Forte Interazioni deboli a corrente carica: decadimento beta dei nuclei: (a livello di nuclei) (a livello del neutrone libero) (a livello dei costituenti fondamentali) Planetario Milano - 20/11/2012 15

La Forza Nucleare Debole ha un ruolo importante nelle reazioni di fusione che avvengono all’interno del Sole Planetario Milano - 20/11/2012 Planetario di Milano - 21 Febbraio 2012 16 16

Reazioni nucleari nel Sole: il ciclo pp 99,77% p + p  d+ e+ + e 0,23% p + e - + p  d + e 3He+3He+2p 3He+p+e++e ~210-5 % 84,7% 13,8% 0,02% 13,78% 3He + 4He 7Be +  7Be + e-  7Li + e 7Be + p  8B +  d + p  3He + 7Li + p ->+ 8B  8Be*+ e+ +e 2 Reazioni nucleari nel Sole: il ciclo pp Planetario Milano - 20/11/2012 Planetario di Milano - 21 Febbraio 2012 17 17

Forza Nucleare Forte Agisce tra i quark che costituiscono gli adroni PROTONE Responsabile della stabilità degli adroni (barioni, mesoni) Si attribuisce ai quark una carica (il colore) NEUTRONE Mediata dai GLUONI Mediata dai GLUONI Planetario Milano - 20/11/2012 18 18

Le Interazioni Fondamentali Gravità Elettro magnetismo Debole Forte Gravitone Fotone W,Z 8 Gluoni Spin 2 1 Massa 82,91 GeV Range ∞ 10-18 m 10-15 m Source Mass Electric charge Weak charge Color Coupling Constant (proton) 10-39 1/137 10-5 1 GeV Cross Section 10-29 cm2 10-42 cm2 10-27 cm2 Lifetime for decay 10-19 s 10-8 s 10-23 s Planetario Milano - 20/11/2012 19 19

3. L’Universo a particelle Lo schema con cui si descrive la nascita e l’evoluzione dell’Universo è quello del BIG BANG CALDO La creazione di Adamo – Michelangelo Buonarroti (1511). (Musei Vaticani - La Cappella Sistina) Planetario Milano - 20/11/2012 20

Il modello del Big Bang: Il red-shift (espansione cosmica) La nucleosintesi primordiale La radiazione cosmica di fondo La Relatività Generale L’Inflazione Osservazioni sperimentali Teoria della Gravitazione Se l’Universo è in espansione, nei primi istanti ci si doveva trovare in una situazione di densità altissima, temperatura altissima, energia/particella altissima Planetario Milano - 20/11/2012 Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 21 21

Una storia termica dell’universo Particelle/Antiparticelle libere Una storia termica dell’universo Planetario Milano - 20/11/2012 Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 22 22

Una storia termica dell’universo Particelle/Antiparticelle libere Queste reazioni creano e distruggono particelle/antiparticelle in ugual numero Quando l’energia scende non è più possibile creare coppie particella/antiparticella. Invece tali coppie si possono distruggere: Una storia termica dell’universo Planetario Milano - 20/11/2012 Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 23 23

Una storia termica dell’universo Particelle/Antiparticelle libere Reazioni di questo tipo dovrebbero aver mantenuto uguale il numero di particelle e antiparticelle Al diminuire di T solo la 1 resta possibile e tutte le particelle/antiparticelle si annichilano in energia Una storia termica dell’universo Planetario Milano - 20/11/2012 Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 24 24

Ma l’Universo non è vuoto. Contiene MATERIA e non ANTIMATERIA ! Un processo fisico ha alterato il rapporto tra materia e antimateria nei primi istanti, creando un poco (pochissimo) di materia in più Planetario Milano - 20/11/2012 Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 25 25

Acceleratori terrestri e cosmici Affinche’ sia possibile creare/distruggere particelle elementari, occorre fornire energia concentrata in dimensioni piccolissime. Questo avviene negli acceleratori di particelle terrestri. O negli acceleratori cosmici. Acceleratore di particelle Pulsar Planetario Milano - 20/11/2012 26

e possono interagire nell’atmosfera. Sono i Raggi Cosmici Tra gli acceleratori galattici piu’ efficienti…. I Nuclei Galattici Attivi (AGN’s) Un AGN puo’ accelerare particelle che attraversano milioni di anni luce di spazio (che e’ quasi vuoto) Le particelle accelerate dagli AGN possono raggiungere il Sistema Solare e la Terra. e possono interagire nell’atmosfera. Sono i Raggi Cosmici Planetario Milano - 20/11/2012 27

4. Modello Standard Una discussione introduttiva Il Modello Standard e’ una descrizione fisica delle particelle elementari e delle interazioni che avvengono tra di loro Si tratta di una delle piu’ grandi conquiste concettuali del secolo scorso, frutto dello sforzo teorico e sperimentale di migliaia di fisici Il Modello Standard descrive i costituenti elementari e in modo rigoroso ed essenzialmente completo (ed unificato) l’interazione elettromagnetica e debole. In modo rigoroso ma non ancora completo anche le interazioni forti Il Modello Standard descrive particelle che sono state tutte osservate sperimentalmente (il più recente: IL BOSONE DI HIGGS) Planetario Milano - 20/11/2012 28

Le Interazioni Fondamentali Gravità Elettro magnetismo Debole Forte Gravitone Fotone W,Z 8 Gluoni Spin 2 1 Massa 82,91 GeV Range ∞ 10-18 m 10-15 m Source Mass Electric charge Weak charge Color Coupling Constant (proton) 10-39 1/137 10-5 1 GeV Cross Section 10-29 cm2 10-42 cm2 10-27 cm2 Lifetime for decay 10-19 s 10-8 s 10-23 s Planetario Milano - 20/11/2012 29 29

3 famiglie Proprietà dei costituenti: Quark: carica elettrica colore massa efficace spin (1/2) Leptoni: carica elettrica massa spin (1/2) IMPORTANTE: 3 famiglie Tutti i costituenti (Quark, Leptoni) sono Fermioni. Portatori di forza Costituenti della materia Planetario Milano - 20/11/2012 30 30

Interazioni tra i costituenti Nel Modello Standard la funzione (di Lagrange) si potrebbe scrivere come : Interazioni tra i costituenti Costituenti In questo modo le masse dei costituenti scritte in modo esplicito nella funzione di Lagrange del Modello Standard …..MA questa Lagrangiana è non rinormalizzabile (non trattabile matematicamente) !! Planetario Milano - 20/11/2012 31

Il Meccanismo di Higgs è stato proposto per introdurre le masse dei costituenti fondamentali (e del W,Z) in modo che la teoria fosse trattabile. Potenziale di Higgs Questo termine è in grado di generare masse senza violare le proprietà di rinormalizzabilità della teoria. Se il meccanismo di generazione delle masse è quello ipotizzato da Peter Higgs (e Brout, Englert, Kibble, Guralnik, Hagen) nel 1964, allora si deve osservare una particella a spin 0 (bosone) del tutto nuova. Planetario Milano - 20/11/2012 32

Interazioni del Bosone di Higgs con le altre particelle della teoria La ricerca del Bosone di Higgs iniziò (al Fermilab e) al CERN negli anni ‘90 Planetario Milano - 20/11/2012 33

Un successo epocale per la Fisica delle Particelle La scoperta del Bosone di Higgs (2012)  l’ipotesi teorica viene confermata sperimentalmente 48 anni dopo la sua formulazione ! Un successo epocale per la Fisica delle Particelle (Giovedì, stessa ora, stesso posto. Uno dei protagonisti di questa scoperta ce la racconterà in dettaglio) Tutte le particelle del Modello Standard sono state osservate e tre delle quattro interazioni fondamentali vengono descritte in un quadro unificato e coerente. Planetario Milano - 20/11/2012

Grazie della vostra attenzione un altro capitolo della comprensione di infinitamente piccolo e infinitamente grande Grazie della vostra attenzione Planetario Milano - 20/11/2012