Grandi scoperte della Fisica delle Particelle Elementari 27/03/2017 Grandi scoperte della Fisica delle Particelle Elementari Andrea Ventura Università del Salento & INFN Lecce 1 marzo 2013

Modello planetario dell’atomo 27/03/2017 Modello planetario dell’atomo 1911 E. Rutherford bombardò una sottile lamina di oro con particelle positive a, costituite da atomi di elio privati dei due elettroni. Tali raggi attraversavano la lamina senza quasi mai esserne disturbati, salvo un ~1 % che veniva deviato, anche in modo notevole o addirittura, completamente respinto Rutherford propose un modello di atomo con quasi tutta la massa concentrata in un nucleo molto piccolo carico positivamente e gli elettroni che vi ruotano attorno Gallipoli, 1 marzo 2013 A. Ventura

Modello atomico di Bohr 27/03/2017 Modello atomico di Bohr Il modello di Rutherford non spiegava lo spettro di emissione e di assorbimento dell’idrogeno e la sua stabilità: gli elettroni, ruotando su orbite, dovrebbero emettere onde elettromagnetiche e, perdendo energia, ricadere sul nucleo 1913 N. Bohr postulò che gli elettroni viaggiassero su orbite stazionarie cedendo/assorbendo energia quando saltano da un’orbita all’altra 1919 A. Sommerfeld perfezionò il modello di Bohr per spiegare gli spettri osservati per atomi più complessi. Nasceva così la Fisica quantistica Gallipoli, 1 marzo 2013 A. Ventura

27/03/2017 Scoperta del neutrone 1930 W. Bothe e H. Becker bombardarono berillio con particelle a molto energetiche, producendo radiazione neutra e assai penetrante. Be + He  C + n Due anni dopo F. Joliot e I. Curie scoprirono che particelle neutre possono espellere protoni dalla paraffina. 1932 J. Chadwick identificò tali particelle come simili ai protoni, ma senza carica: i neutroni I nuclei atomici sono formati da “nucleoni” (protoni e neutroni) in numero simile. Gallipoli, 1 marzo 2013 A. Ventura

Scoperta dell’antimateria 27/03/2017 Scoperta dell’antimateria 1931 A conferma della teoria di P. A. M. Dirac che prevedeva stati a energie negative (1928), dallo studio dei raggi cosmici, C. D. Anderson scoprì il positrone, l’antiparticella dell’elettrone Quando una particella e un’ antiparticella interagiscono, si annichilano producendo energia e + – E = 2mec2 e + – Avviene anche il contrario: un fotone produce una coppia e+e– Gallipoli, 1 marzo 2013 A. Ventura

L’ipotesi del neutrino e il muone 27/03/2017 L’ipotesi del neutrino e il muone Il neutrone è instabile e si disintegra secondo il cosiddetto decadimento b. Ma energia e momento non si conservano: servirebbe una particella senza massa né carica che giustifichi tale bilancio energetico. 1934 E. Fermi e W. Pauli ipotizzarono l’esistenza del neutrino (ma per molti anni non vi fu evidenza sperimentale…). n  p + e– + n 1936 Dallo studio delle interazioni dei raggi cosmici Anderson scoprì una particella non presente in atomi ordinari: il muone m, con massa 207 volte maggiore dell’elettrone. I. I. Rabi commentò “Who ordered that?” Gallipoli, 1 marzo 2013 A. Ventura

27/03/2017 Scoperta del pione Il muone fu ritenuto per oltre 10 anni il mediatore delle interazioni nucleari previsto da H. Yukawa già nel 1935. Tuttavia la sua vita media (t~2·10-6 s) è >> del t atteso per le forze nucleari (t~10-23 s). 1947 In emulsioni nucleari esposte ad alta quota C. Powell osservò eventi con pioni p+  m+ + n Mentre il m– è assai penetrante, il p– si fa catturare dal nucleo, come previsto da Yukawa. 1956 Scoperto anche il pione neutro p0, J. Steinberger et al., che tipicamente decade in p0gg m(p+) = 139.57 MeV/c2 m(p0) = 134.98 MeV/c2 Gallipoli, 1 marzo 2013 A. Ventura

Le particelle “strane” 27/03/2017 Le particelle “strane” Negli anni 1950 dalle interazioni dei raggi cosmici in camere a nebbia immerse in campi magnetici si iniziarono a osservare particelle “strane”: hanno sezioni d’urto tipiche di interazioni forti ma decadimenti in pioni con vite medie tipiche di interazioni deboli. Osservazioni di “eventi V”. Tali particelle furono chiamate mesoni K, e si dovette introdurre un nuovo numero quantico denominato “stranezza” S. Bevatron (LBL) protoni su bersaglio fisso Intanto la tecnologia necessaria per costruire acceleratori di particelle in laboratori avanzava rapidamente. Si poterono così studiare le particelle elementari in maniera sistematica! Gallipoli, 1 marzo 2013 A. Ventura

Acceleratori: principi di funzionamento 27/03/2017 Acceleratori: principi di funzionamento Campo elettrico: accelera Campo magnetico: curva Il primo ciclotrone fu costruito da E. Lawrence a Berkeley nel 1930 Raggio di ciclotrone Particelle α decadimenti radioattivi: 1÷5 MeV 1939: ciclotrone 1.5 m di diametro: 19 MeV Massima energia di un ciclotrone: 25 MeV Passo successivo: sincrotrone Gallipoli, 1 marzo 2013 A. Ventura

I primi grandi acceleratori 27/03/2017 I primi grandi acceleratori 1952 BNL (Brookhaven National Laboratory): COSMOTRONE protoni da 3 GeV, 2000 ton di Fe, 20 m di diametro Conferma la produzione associata di particelle strane: p + p  K + L 1954 LBL (Lawrence-Berkeley Laboratory): BEVATRONE protoni da 6 GeV, 10000 ton di Fe. 1955 E. Segrè e O. Chamberlain scoprono l’antiprotone in p p  p p p p 1957 Dubna: SINCROFASATRONONE protoni da 10 GeV, 36000 ton di Fe Negli anni 1950 USA e URSS si rincorrevano nella sfida alle energie più alte, e l’Europa…? _ Gallipoli, 1 marzo 2013 A. Ventura

27/03/2017 La nascita del CERN La seconda guerra mondiale aveva mandato l’Europa in rovina e disperso in USA i migliori fisici europei 1950 L’UNESCO approvò una risoluzione cui, due anni dopo, 11 paesi europei presero parte fondando il CERN (Consiglio Europeo per la Ricerca Nucleare) 1954 Nacque il CERN, tuttora il laboratorio di particelle elementari più grande del mondo. Sito scelto fu Meyrin, un piccolo paese vicino Ginevra 1959 ProtoSincrotrone, 24 GeV, 3200 ton, diametro 200 m Gallipoli, 1 marzo 2013 A. Ventura

Gallipoli, 1 marzo 2013 A. Ventura

Gallipoli, 1 marzo 2013 A. Ventura

Gallipoli, 1 marzo 2013 A. Ventura

Gallipoli, 1 marzo 2013 A. Ventura

Gallipoli, 1 marzo 2013 A. Ventura

Gallipoli, 1 marzo 2013 A. Ventura

Gallipoli, 1 marzo 2013 A. Ventura

Premi Nobel che hanno fatto grande la Fisica delle Particelle 27/03/2017 Premi Nobel che hanno fatto grande la Fisica delle Particelle 1906 J. J. Thomson 1921 A. Einstein 1922 N. Bohr 1927 A. Compton, C. Wilson 1932 W. Heisenberg 1933 P. Dirac, E. Schrodinger 1935 J. Chadwick 1936 C. Anderson, V. Hess 1938 E. Fermi 1939 E. Lawrence 1945 W. Pauli 1949 H. Yukawa 1950 C. Powell 1954 M. Born, W. Bothe 1957 T. Lee, C. Yang 1959 O. Chamberlain, E. Segrè 1965 R. Feynman, J. Schwinger, S. Tomonaga 1969 M. Gell-Mann 1976 B. Richter, S. Ting 1979 S. Glashow, A. Salam, S. Weinberg 1980 J. Cronin, V. Fitch 1984 S. van der Meer, C. Rubbia 1988 L. Lederman, M. Schwartz, J. Steinberger 1992 J. Charpak 1995 M. Perl, F. Reines 1999 G. ‘t Hooft, M. Veltman 2004 D. Gross, D. Politzer, F. Wilczek 2008 Y. Nambu, M. Kobayashi, T. Maskawa Gallipoli, 1 marzo 2013 A. Ventura

Il quadro è completo! (o quasi…) 27/03/2017 Il quadro è completo! (o quasi…) nt La descrizione dei costituenti della materia (quark e leptoni) è al completo! Dopo la soperta del 4 luglio 2012 abbiamo forse trovato il bosone di Higgs, responsabile del meccanismo di attribuzione di massa di tutte le particelle Gallipoli, 1 marzo 2013 A. Ventura

Oltre il Modello Standard 27/03/2017 Oltre il Modello Standard I fisici negli ultimi decenni hanno formulato vari modelli teorici per provare a rispondere alle questioni irrisolte, tra i quali… La Supersimmetria (SUSY), una tra le più accreditate Nuovi bosoni vettori massivi (W/ Z) q Z′ X Y Particelle esotiche long-lived (HV, etc…) I micro-buchi neri Graviton (G) Le Extra-Dimensions Gallipoli, 1 marzo 2013 A. Ventura

27/03/2017 La sfida di LHC Il Large Hadron Collider (LHC) al CERN si propone di scoprire Nuova Fisica esplorando nuove regioni di energia La sua costruzione è iniziata subito dopo LEP (2000) Si faranno collidere protoni a 40 MHz a energie senza precedenti: 7+7 TeV sette volte maggiore che al TeVatron!!! Luminosità di progetto 1034 cm-2s-1 Oltre 1600 magneti superconduttori tenuti a T=1.9K da He superfluido Una sfida tecnologica a tutti i livelli Dopo quasi un decennio nel 2009 ci sono state le prime collisioni, lo scorso anno sono stati raccolti 50 pb-1 di dati: ora si continua a prendere dati per cercare le risposte alle importanti domande rimaste aperte Gallipoli, 1 marzo 2013 A. Ventura

Acceleratori e loro energie oggi 27/03/2017 Acceleratori e loro energie oggi LHC coi suoi attuali 7 TeV supera le energie mai raggiunte finora in tutti i maggiori centri con acceleratori di particelle: Lo stesso CERN, posto sul confine franco-svizzero vicino a Ginevra. Qui fu installato il LEP, collider e+e– a 200 GeV. Il DESY, ad Amburgo in Germania, ha ospitato l'HERA, che collideva elettroni o positroni con protoni a 300 GeV. Lo SLAC, a Stanford in California (USA), che col suo SLC è arrivato a far collidere elettroni e positroni fino a 100 GeV. Il Fermilab, a Chicago in Illinois (USA), con il Tevatron, che collide protoni ed antiprotoni a 2 TeV. Il Brookhaven National Laboratory, di Long Island (USA), dove si trova il RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider), che collide ioni pesanti (come gli ioni d'oro) con dei protoni da 100 GeV. I Laboratori Nazionali di Frascati dell'INFN in Italia, dove ha sede DAΦNE, per la collisione di elettroni e positroni a 1.02 GeV. Gallipoli, 1 marzo 2013 A. Ventura

Gli esperimenti all’LHC 27/03/2017 Gli esperimenti all’LHC Gli esperimenti general-purpose di LHC sono: CMS (Compact Muon Solenoid) 25 m ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) 46 m Gallipoli, 1 marzo 2013 A. Ventura

Bobine dei toroidi del cilindro centrale Camere per rivelare muoni 27/03/2017 Uno sguardo ad ATLAS Bobine dei toroidi del cilindro centrale Camere per rivelare muoni Calorimetro in avanti Tracciatore interno Gallipoli, 1 marzo 2013 A. Ventura

Event Display nella sala di controllo di ATLAS 27/03/2017 Uno sguardo ad ATLAS Evidenza del bosone di Higgs! Event Display nella sala di controllo di ATLAS 10 Settembre 2008 Primi fasci in ATLAS Gallipoli, 1 marzo 2013 A. Ventura

27/03/2017 L’avventura continua! La Fisica delle Particelle Elementari ha compiuto passi da gigante nell’ultimo secolo: non più l’ingegno di pochi per esperimenti di breve durata, ma la collaborazione di tante persone per progetti lunghi anche molti anni. Dopo l’evidenze sperimentale del bosone di Higgs potremmo essere alla vigilia di nuove grandi scoperte !!! I numeri dell’esperimento ATLAS: Progettato nel 1992 Oltre 3000 tra fisici, ingegneri e tecnici 170 università e laboratori di 38 nazioni 3000 km di cavi, 108 canali elettronici Misure di precisione fino a ~10 mm Acquisiti O(1016) bytes di dati all’anno Temperatura 105 volte maggiore del Sole corrispondente a 1 ns dopo il Big Bang Gallipoli, 1 marzo 2013 A. Ventura