Giovedi’ Scienza - 26/2/04Chiara Mariotti -INFN Torino1 DAL QUARK AL WWW I cinquant’anni del CERN tra Fisica delle Particelle e Internet 26 Febbraio Giovedi’ Scienza - Torino Chiara Mariotti INFN-Torino

Giovedi’ Scienza - 26/2/04Chiara Mariotti -INFN Torino2 Il CERN: cosa è e perché ? Centro Europeo di Ricerca Nucleare È il più grande laboratorio al mondo per la ricerca nel campo della fisica delle particelle. Come laboratorio fornisce i mezzi agli scienziati per le loro ricerche: gli ACCELERATORI e i RIVELATORI Al CERN si studiano le leggi principali che governano la natura, si fa ricerca “pura”, con lo scopo di imparare di più riguardo al nostro universo. Le eventuali applicazioni possibili e i benefici per la società arrivano a posteriori!

Giovedi’ Scienza - 26/2/04Chiara Mariotti -INFN Torino3 Il CERN LEP/LHC 27 Km SPS 7 Km

Giovedi’ Scienza - 26/2/04Chiara Mariotti -INFN Torino4 Il CERN LEP/LHC SPS

Giovedi’ Scienza - 26/2/04Chiara Mariotti -INFN Torino5 Gli Stati Membri

Giovedi’ Scienza - 26/2/04Chiara Mariotti -INFN Torino6 Le Particelle Elementari Negli ultimi 50 anni si è scoperto che l’universo è costituito da particelle elementari (puntiformi). Combinate tra loro formano la materia di cui siamo fatti.

Giovedi’ Scienza - 26/2/04Chiara Mariotti -INFN Torino7 Le Forze Le particelle elementari interagiscono tra loro tramite messaggeri, che sono altre particelle, dette “particelle forza”. Le forze che conosciamo in natura sono: Forza gravitazionale: Forza elettromagnetica: tiene uniti i protoni e i neutroni nel nucleo anche se di carica uguale e tiene uniti i quark Il suo messaggero è il gluone Forza debole radioattività, attività solare … I suoi messaggeri sono i W  e la Z Caduta dei corpi, moto stellare… Il messaggero si pensa sia il gravitone corrente, magneti, atomi, chimica… Il suo messaggero è il fotone Forza forte:

Giovedi’ Scienza - 26/2/04Chiara Mariotti -INFN Torino8 u d c s t b e  e   Carica elettrica +2/3 -1/3 0 quark leptoni piu’ pesante Le particelle forza g gluoni (8)  fotone W +,W -, Z bosoni H Higgs ?? I quark non esistono liberi in natura: le particelle che vediamo sono composte da coppie di quark o da tripletti di quark ex: protone: “uud”, neutrone “udd”.. Le Particelle Fondamentali: Il MODELLO STANDARD

Giovedi’ Scienza - 26/2/04Chiara Mariotti -INFN Torino9 Le Particelle Fondamentali: Il MODELLO STANDARD s  e  Raggi cosmici c t b   Le particelle forza g gluoni (8)  fotone W +,W -, Z bosoni H Higgs ?? Si possono produrre in laboratorio + le antiparticelle ossia l’antimateria u d e La materia di cui siamo fatti

Giovedi’ Scienza - 26/2/04Chiara Mariotti -INFN Torino10 Energia=Massa Quando Materia e Antimateria si incontrano, si annichilano, ovvero producono energia sotto forma di fotoni o di altre particelle. Più in generale: elettrone quark Einstein: E=mc 2 la massa si può trasformare in energia e viceversa. Vengono create nuove particelle composte da tutti i tipi di quark (ud+scbt), che vivono pochissimo (10 -6 – secondi)

Giovedi’ Scienza - 26/2/04Chiara Mariotti -INFN Torino11 Energia I fisici usano il GeV - Giga ElectronVolt = 10 9 eV m(protone) = GeV -> (31) x Kg m(elettrone)= GeV -> x Kg =(1/2000 m(p)) Volt elettrone Per dare ad un elettrone l’energia di 1GeV, dovremmo mettere di seguito 10 9 = pile da 1 Volt !! Perche’ vogliamo accelerare le particelle a così alte energie? Volt.... E =1 eV

Giovedi’ Scienza - 26/2/04Chiara Mariotti -INFN Torino12 Perché accelerare? Possiamo vedere fino a dimensioni di ~10 -2 cm La meccanica quantistica ci dice che le particelle si comportano come un’onda e viceversa. elettrone = h/E Tanto più la lunghezza d’onda è piccola / ovvero tanto più l’energia è grande tanto più piccole sono le dimensioni che possiamo esplorare/vedere Per andare oltre ( cm) dobbiamo accelerare oltre le particelle. I microscopi elettronici possono esplorare regioni di ~10 -6 cm – cellule / DNA

Giovedi’ Scienza - 26/2/04Chiara Mariotti -INFN Torino13 Gli Acceleratori Acceleriamo particelle portandole ad energie di molti eV e poi le facciamo scontrare con altre particelle accelerate o con dei bersagli: - per studiare cosa succede durante l’interazione a < cm - per produrre nuove particelle grazie a E=mc 2 Studiando le particelle prodotte (quante sono, quali sono, le loro caratteristiche etc.) possiamo capire cosa è successo al momento dell’urto e risalire ai processi fondamentali che regolano la natura (ad esempio produrre i messaggeri delle forze elettrodeboli W e Z - che spiegano la radioattività e i processi all’interno del sole )

Giovedi’ Scienza - 26/2/04Chiara Mariotti -INFN Torino14 I Rivelatori Per studiare cosa succede nell’urto, ossia le particelle prodotte, abbiamo bisogno di RIVELATORI = oggetti che ci permettono di “vedere” queste particelle: Un rivelatore è formato da un insieme di sotto-rivelatori che misurano proprietà diverse delle particelle:

Giovedi’ Scienza - 26/2/04Chiara Mariotti -INFN Torino15 La Nascita del CERN Se acceleriamo particelle e le facciamo scontrare contro un bersaglio fisso: e/p molta dell’energia disponibile “portata“ dalla particella viene persa nel rinculo del bersaglio Se invece acceleriamo due particelle e le facciamo scontrare, tutta l’energia di entrambe è a disposizione per essere trasformata in massa: Questi tipi di progetti porto’ nel 1950 alla fondazione del CERN In quanto una sola nazione non avrebbe avuto le risorse sufficienti p p

Giovedi’ Scienza - 26/2/04Chiara Mariotti -INFN Torino : nasce il CERN Il CERN fu fondato nel Uno dei padri fondatori fu Edoardo Amaldi che fu il primo direttore del CERN. DG italiani: Carlo Rubbia (inizio era LEP, via al progetto LHC) Luciano Maiani (fine LEP, inizio costruzione LHC) Da 50 anni il grande successo del CERN è stato per lo piu’ dovuto al gruppo che lavora sugli acceleratori (molti gli italiani, tra cui con ruolo principale e dirigente Franco Bonaudi di Torino.)

Giovedi’ Scienza - 26/2/04Chiara Mariotti -INFN Torino17 Il complesso degli acceleratori 24-Nov-1959: PS (Proton Sincrotron) Funziona tutt’oggi! Accelera e -,e +, p +,p - 27-Gen-1965: ISR (Intersecting Storage Ring) Prima collisione al mondo protone-protone. 1979: SPS (Super Proton Sincrotron) 1983: SPS  SppS: Prima collisione al mondo Protoni-Antiprotoni Premio Nobel a Rubbia per la scoperta W e Z. 1989: LEP (Large Electron Collider) Accelera elettroni-positroni. Dal 1989 al 1995 : E(e) = 50 GeV Dal 1995 al 2000 nuove frontiere di enegia! Stop nel 2000  trionfo del Modello Standard 2007 : LHC (Large Hadron Collider) LEP/ -

Giovedi’ Scienza - 26/2/04Chiara Mariotti -INFN Torino18 ISR 300 metri di diametro 27-gennaio-1971: prima collisione al mondo protone-protone

Giovedi’ Scienza - 26/2/04Chiara Mariotti -INFN Torino : Camere a Bolle 1973: prodotti da un fascio estratto dal PS, i neutrini interagiscono in una camera a bolle (liquido pesante tenuto in sovrapressione): particella carica -> bollicine -> fotografia. Si scoprono reazioni tra particelle che possono essere dovute solo al mediatore “particella-forza” Z, ipotizzata dal Modello Standard Esperimento Gargamelle (Milano e Torino)

Giovedi’ Scienza - 26/2/04Chiara Mariotti -INFN Torino20 Camera con gas+ Fili sotto alta tensione particella ionizza il gas  le cariche sono raccolte dal filo piu’ vicino  segnale elettronico L’era elettronica Foto camere a bolle: procedimento lento sia per acquisizione sia per lettura 1968: Georges Charpak al CERN inventa la Camera Proporzionale a Multi-fili Nel suo gruppo: F. Sauli e T. Bressani (To) Premio Nobel nel 1992 ! Si passa all’era totalmente elettronica! - Rapidità di acquisizione e di lettura - Possibilità di processamento con computer

Giovedi’ Scienza - 26/2/04Chiara Mariotti -INFN Torino : Scoperta di W e Z : Carlo Rubbia converte SpS in SppS:  Energia disponibile 30 volte superiore ! Ovvero convertendo l’acceleratore di protoni, in collisionatore protone-antiprotone, si poteva raggiungere l’energia sufficiente per creare in laboratorio le particelle W e Z - scoperte le particelle forza W +,W - e Z messaggeri delle Interazioni Deboli (indicazione sulla loro massa da Gargamelle+teoria) C.Rubbia e S.van der Meer Premio Nobel 1984

Giovedi’ Scienza - 26/2/04Chiara Mariotti -INFN Torino22 Il primo W e la prima Z W  e e Ze+e-Ze+e- pp p

Giovedi’ Scienza - 26/2/04Chiara Mariotti -INFN Torino23 LEP Subito dopo la scoperta di W e Z fu approvato il progetto di un collisionatore elettroni-positroni per studiare con precisione queste due particelle-forza e dunque il Modello Standard PERCHÈ collisionatore e + e - ? e+e+ e-e- p+p+ p-p- quark Urto “pulito”, E=E(e + )+E(e - ) Urto “complesso”, E<1/3(E(p + )+E(p - )) L’idea originale di un collisionatore di elettroni e positroni fu di Bruno Touschek (Frascati) Il primo anello e + e - fu ADA (dal nome della zia preferita di B.T!) a Frascati nel 1961: Raggio di 65 cm, E(e) = GeV

Giovedi’ Scienza - 26/2/04Chiara Mariotti -INFN Torino24 LEP anello di 27 Km di circonferenza, 100 m sotto terra 1983: inizio scavi - più grande lavoro di ingegneria civile europeo agosto 1989: prima interazione a E=91 GeV : E=130 – 209 GeV !!!! Molti italiani coinvolti sull’acceleratore LEP: E.Picasso direttore LEP, F. Bonaudi (To) Large Electron Positron collider

Giovedi’ Scienza - 26/2/04Chiara Mariotti -INFN Torino25 LEP 4 grandi esperimenti: ALEPH, DELPHI, L3 e OPAL Capi esperimento Italiani: U.Amaldi, A.Michelini, L.Foa, L.Rolandi, T.Camporesi, R.Tenchini + 2 premi nobel: S.Ting e J.Steinberger. Responsabili della fisica Italiani: S.Gentile, C.Mariotti, S.Mele, G.Rolandi, R.Tenchini Per la teoria del Modello Standard: teorici italiani, in particolare di Torino e+e+ e-e- (Torino)

Giovedi’ Scienza - 26/2/04Chiara Mariotti -INFN Torino26 Risultati di LEP LEP: Il trionfo del Modello Standard LEP verifica il Modello Standard con altissima precisione (~10 -5 ): - misura le masse Z e W - misura gli “accoppiamenti” : Z/W-leptoni, Z/W-quark - determina che le famiglie di leptoni sono 3 ! Z  qq N()=3 eeW + W  qqqq

Giovedi’ Scienza - 26/2/04Chiara Mariotti -INFN Torino27 L’origine della massa Ma manca ancora qualche cosa… Qual è l’origine della massa ? Nel Modello Standard il responsabile della massa è la particella di Higgs Questa particella interagendo con tutte le altre particelle fondamentali e con le particelle forza dona loro la massa. (Questo meccanismo è detto “rottura spontanea di simmetria”) Nel Modello la massa della particella di Higgs deve essere al di sotto di 1 TeV (1000 GeV), altrimenti la teoria non è più valida Il nuovo acceleratore al CERN ha come scopo principale indagare quale sia l’origine della massa: è l’Higgs? qualcos’altro già ipotizzato? o qualcosa mai pensato fino ad ora ?

Giovedi’ Scienza - 26/2/04Chiara Mariotti -INFN Torino28 u d c s t b e  e   Massa (GeV) Le particelle forza Massa g gluoni (8) 0  fotone 0 W +,W -, Z bosoni 80/90 GeV Le masse delle Particelle Fondamentali ~0.1 ~1.5 ~180 ~0.1 ~0.3 ~4.5 ~0. ~0. ~0. ~ ~0.100 ~1.7 Il modello standard non predice le masse delle particelle. I valori delle masse sono stati misurati sperimentalmente

Giovedi’ Scienza - 26/2/04Chiara Mariotti -INFN Torino29 LHC 7x10 3 GeV Energia dei protoni protoni per “pacchetto” 2832 pacchetti interazioni al secondo 7 TeV Protone – 7 TeV Protone Collisione tra quark o gluoni 1 particella nuova prodotta ogni secondi 7.5 m (25 ns) In fase di costruzione nel tunnel di LEP / urti protoni - protoni 4 interazioni “tra pacchetti “ ogni secondi 1 interazione protone-protone ogni secondi 2007: Large Hadron Collider

Giovedi’ Scienza - 26/2/04Chiara Mariotti -INFN Torino30 Higgs a LHC Evento simulato di produzione di Higgs Il protone è formato da quark e gluoni: 2 gluoni interagiscono e producono Higgs gli altri quark e gluoni interagiscono producendo molte particelle: pp  H +X          + X

Giovedi’ Scienza - 26/2/04Chiara Mariotti -INFN Torino31 I lavori procedono 2008 fisici+ingegnieri 160 istituti 36 paesi Lunghezza21.6m Diametro14m Massa12500 Ton 78 Milioni di canali elettronici Dati raccolti /secondo = traffico di tutte le telecom del mondo/secondo CMS (Torino)

Giovedi’ Scienza - 26/2/04Chiara Mariotti -INFN Torino32 Conclusioni Sappiamo molto poco e vorremmo saperne di più: Proseguiamo per 2 strade - cercando cose nuove - capendo a fondo quelle che abbiamo già trovato. Il CERN e’ dunque: La voglia di capire La curiosità di scoprire Le sempre continue sfide intellettuali, tecnologiche Costruire e far funzionare Misurare con precisione Un’avventura umana senza precedenti

Giovedi’ Scienza - 26/2/04Chiara Mariotti -INFN Torino33 La rottura spontanea di simmetria Se le masse fossero nulle, la simmetria sarebbe perfetta: tutte le interazioni tra i mediatori e le particelle sarebbero scritte nello stesso modo. Ma le masse delle particelle sono diverse da zero e tra loro  La simmetria e’ rotta nelle masse. Il meccanismo che rompe la simmetria e dona la massa alle particelle e’ detto “meccanismo di Higgs” o “rottura sponstanea di simmetria”: Vediamo graficamente / matematicamente come funziona: Simmetria del “fondo” Il “fondo” non e’ simmetrico Per andare nello stato stabile, deve scegliere destra o sinistra. La scelta rompe la simmetria in modo “spontaneo”! Questo meccanismo di rottura spontanea di simmetria, introduce una nuova particella detta di Higgs, che interagendo con le altre particelle e con i mediatori dona loro la massa.

Giovedi’ Scienza - 26/2/04Chiara Mariotti -INFN Torino34 L’evoluzione dell’universo