Una breve introduzione alla fisica delle particelle elementari Vito Di Benedetto Sant'Angelo Dei Lombardi Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015

Il mondo visto da un fisico! S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto

Di cosa e’ fatto il mondo? Anticamente: 4 elementi. 19mo secolo: atomi. Inizio 20mo secolo: electroni, protoni, neutroni. Oggi: quark and leptoni. S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto

S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 La Tavola Periodica Mendeleev raggruppa gli elementi in famiglie con proprieta’ simili. Viene definita la prima versione della tavola periodica. Questo suggerisce una struttura con elementi costituenti piu’ semplici. S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto

La struttura dell'atomo Le proprietà periodiche degli elementi suggeriscono che gli atomi abbiano una struttura interna. Si ipotizza un modello di atomo con un nucleo centrale intorno al quale “orbitano” degli elettroni. Il nucleo è composto di protoni e neutroni. S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto

S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Un Senso della Scala ~10-6 [m] ~10-9 [m] ~10-10 [m] ~10-14 [m] ~10-16 [m] q e <10-18 [m] Quark e leptoni sono le particelle “più elementari” che conosciamo finora. Sono più piccole di 10-18 [m] S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto

S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Nuove Particelle Collisioni di elettroni e nuclei nei raggi cosmici e, ad iniziare dagli anni '30, gli acceleratori di particelle portano alla scoperta di molte nuove particelle. Alcune furono predette, ma molte altre giunsero come sorprese. Muone come un elettrone pesante: ‘Who ordered that!?’ (Premio Nobel per la fisica Isidor Isaac Rabi). All'inizio si pensò che fossero tutte fondamentali. S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto

All’inizio erano poche… E molte piu’…. S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto

S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Introducendo i quarks.. S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto

S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Cosa e’ fondamentale? Negli anni i fisici hanno trovato centinaia di nuove particelle. All'inizio si pensò che fossero tutte fondamentali. Oggi sappiamo che la maggior parte non sono fondamentali. È sata sviluppata una teoria, detta Modello Standard, che sembra spiegare bene quello che osserviamo in natura. Questo modello include 6 quarks, 6 leptoni e 13 particelle che trasportano le forze tra quarks e leptoni. S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto

Il Modello Standard Particelle Elementari Quark e leptoni sono le particelle più fondamentali che conosciamo in natura. Quark up & down ed electroni sono i constituenti della materia ordinaria. Gli altri quark e leptoni possono essere prodotti negli sciami di raggi cosmici o negli acceleratori di particelle ad alta energia. Ogni particella ha una corrispondente antiparticella. I bosoni di gauge sono i portatori delle forze. Il bosone di Higgs è responsabile della massa delle particelle. Particelle Elementari Scoperta annunciata il 4 luglio 2012 H Higgs boson S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto

S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Materia & Forze Materia Adroni Barioni Mesoni Quark Anti-Quark Leptoni Forze Carichi Neutrini Gravità Forte Debole Elettro Magnetica S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto

S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Forze fondamentali S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto

Materia ed Antimateria Per ogni particella, esiste una corrispondente particella di antimateria, o anti-particella. Queste particelle appaiono come le loro “sorelle” di materia, ma hanno carica opposta. Le particelle sono create o distrutte in coppia. S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto

Evidenza indiretta dell'esistenza di Energia e Materia Oscura. La composizione dell’Universo Evidenza indiretta dell'esistenza di Energia e Materia Oscura. S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto

Gli strumenti di lavoro Quali sono gli strumenti di lavoro di un fisico che studia le particelle elementari? Modelli teorici Basati su fenomeni noti, fanno previsioni su nuovi fenomeni che i fisici sperimentali cercano di confermare. Acceleratori Preparano fasci di particelle che vengono fatti collidere per ottenere altre particelle. Rivelatori Misurano le proprietà delle particelle ottenute dalla collisione delle particelle dei fasci. Devono racchiudere il più ermeticamente possibile il punto di interazione. S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto

Come facciamo muovere le particelle? Campi elettrici per accelerare Campi magnetici per curvare Impulso maggiore Impulso minore S N E=100 eV Carica opposta + - 100 V S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto

Da dove prendiamo le particelle? Piovono dal cielo! I primi fasci di particelle per gli studi di fisica nucleare e subnucleare erano costituiti o da particelle o dai raggi cosmici. Protoni e fotoni primari provenienti dallo spazio generano particelle secondarie nell’urto con i nuclei dei gas atmosferici (100 particelle a m2/s sul livello del mare). Esistono raggi cosmici molto energetici ma rari ad arrivo casuale ACCELERATORI S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto

Da dove prendiamo le particelle per gli Acceleratori? Gli elettroni si ottengono riscaldando dei filamenti metallici (“effetto termoionico”). I protoni sono i nuclei dell’atomo di idrogeno. Perché gli acceleratori? È possibile convertire l’energia liberata nell’urto fra particelle in nuove particelle più pesanti (E=mc2). Lo studio delle collisioni ci aiuta a capire la natura della materia e delle forze. S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto

S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Qual è l’acceleratore più comune? È nelle nostre case! Il Televisore !!!!!!! E=20000 eV S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto

Il ciclotrone: l'acceleratore di prima generazione Frequenza della tensione acceleratrice ~ costante. Le particelle accelerando compiono un'orbita a spirale. I magneti devono coprire tutta la superficie delle “D”. S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto

L'intensità dei campi magnetici dipende dall'energia delle particelle. Il sincrotrone: l'acceleratore di seconda generazione La frequenza della cavità acceleratrice dipende dall'energia delle particelle. L'intensità dei campi magnetici dipende dall'energia delle particelle. Le particelle accelerano compiendo un'orbita circolare, vengono accelerate ad ogni orbita. I magneti devono coprire solo regioni limitate. S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto

Da “bersaglio fisso” a “collisionatore” Solo una piccola parte dell'energia della collisione è disponibile. E=29 GeV Nel 1961 Bruno Touschek ebbe l’dea geniale di utilizzare lo stesso acceleratore per far collidere materia e antimateria. Le cavità RF accelerano materia e antimateria in verso opposto. I magneti curvano materia e antimateria in verso opposto. E=900 GeV Tutta l’energia della collisione è disponibile ad essere convertita in nuove particelle. S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto

Alcuni acceleratori che hanno fatto la storia: Tevatron & LHC S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto