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

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

2 S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto 2 Come percepiamo il mondo? fascio di luce bersaglio/apparato rivelatore elaborazione dei dati I fotoni sono le particelle elementari di cui è costituita la luce. Noi vediamo un oggetto perché viene colpito da fotoni che poi rimbalzano e vengono rivelati dal nostro occhio. I fotoni sono le particelle elementari di cui è costituita la luce. Noi vediamo un oggetto perché viene colpito da fotoni che poi rimbalzano e vengono rivelati dal nostro occhio. sorgente bersaglio rivelatore Il nostro rivelatore.

3 S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto 3 Rivelatori ● Una volta che abbiamo prodotto le particelle cosa dobbiamo misurare? Posizione e direzione del moto Carica elettrica Energia Impulso Massa Tempi di vita

4 S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto 4 “Impronta” delle particelle nel rivelatore ● TrDet: particelle cariche (momento). [TPC – DCH] ● EMCal: elettroni, positroni e fotoni (energia). [Scintillatori – Cristalli] ● HCal: adroni carichi e neutri (energia). [Sampling Sci/Pb] ● Magnet: curva le tracce delle particelle cariche (momento). [Solenoide] ● MuDet: muoni (momento). ● [RPC] ● TrDet: particelle cariche (momento). [TPC – DCH] ● EMCal: elettroni, positroni e fotoni (energia). [Scintillatori – Cristalli] ● HCal: adroni carichi e neutri (energia). [Sampling Sci/Pb] ● Magnet: curva le tracce delle particelle cariche (momento). [Solenoide] ● MuDet: muoni (momento). ● [RPC]

5 S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto 5 Raccolta dei Dati ● Questa fase è molto importante. ● Ogni componente del detector dà delle informazioni che vanno analizzate in modo opportuno.

6 S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto 6 Analisi dei Dati Si organizzano le informazioni ricostruite grazie ai rivelatori. Si “ricostruisce l'oggetto” generato dalla collisione delle particelle del fascio.

7 S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto 7 Risultato dell'Analisi dei Dati (nella realtà) Event Display di una collisione di particelle: “rappresentazione pittorica” dei segnali raccolti dal rivelatore. Selezionando eventi “particolari” si possono ottenere informazioni fondamentali sulle particelle generate dalle collisioni.

8 SSI 2006 8 H i g g s B o s o n Meno di 1 su 10 9 collisioni potrebbe produrre un bosone di Higgs, trovare un bosone di Higgs ad LHC è più difficile che trovare un ago in un pagliaio!!!

9 S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto 9 Elettronica di lettura Per analizzare i segnali dei rivelatori si usa una elettronica altamente specializzata. I segnali vengono poi inviati a complessi sistemi di acquisizione che li analizzano e li memorizzano Schede di Front-End Schede di acquisizione

10 S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto 10 I dati raccolti vengono analizzati da centinaia di computer (grid)

11 S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto 11 Acceleratori di ieri, di oggi e di domani LHC/LEP Tevatron / Acceleratoretipofasciluogo Tevatroncircolarep FNAL Muon Collidercircolareμ+μ-μ+μ- FNAL(?) LEPcircolaree+e-e+e- CERN LHCcircolarep CERN ILClinearee+e-e+e- Japan(?) CLIClinearee+e-e+e- CERN(?) VLHCcircolarep CERN(?)

12 S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto 12 LHC/LEP Tevatron / Caratteristiche peculiari degli acceleratori Acceleratoretipofasci Tevatroncircolarep Muon Collidercircolareμ+μ-μ+μ- LEPcircolaree+e-e+e- LHCcircolarep ILClinearee+e-e+e- CLIClinearee+e-e+e- VLHCcircolarep Acceleratori circolari: ✔ Accelera le particelle ad ogni orbita. ✔ Usa le particelle più volte. ✗ Particelle cariche accelerate (curvate) “perdono” un'energia ∝ 1/(m 4 × r) (Bremsstrahlung). ✗ Sono più efficienti se hanno un “grande” raggio ed usano particelle “pesanti”. Acceleratori lineari: ✔ Sono immuni dal Bremsstrahlung. ✗ Devono accelerare le particella in un unico passaggio. ✗ Usa le particelle una sola volta. Acceleratori adronici: ✔ Bremsstrahlung molto attenuato (m p ≃ 2000m e ). ✗ p (p) non è una particella elementare ⇒ nel fascio l'energia del p (p) si distribuisce in modo “casuale” tra i quark che lo compongono. ✗ Le misure sono affette da una indeterminazione intrinseca. Acceleratori leptonici: ✗ Bremsstrahlung importante negli acceleratori circolari e + e -, trascurabile nel caso μ + μ - (m μ ≃ 200m e ). ✔ I leptoni sono particelle elementari ⇒ l'energia del fascio è nota con grande precisione. ✔ Si possono effettuare misure di grande precisione.

13 S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto 13 ILC (International Linear Collider) ● Collisionatore Lineare electrone-positrone; ● Garantisce misure di alta precisione; ● ILC consiste di due acceleratori lineari, ognuno lungo ~15 km, che si sviluppano dal punto di interazione; ● Energia nel C.M. fino a 0.5 - 1 TeV; ● Requisiti Calorimetrici: risoluzione in energia doppia rispetto a quella dei precedenti esperimenti.

14 S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto 14 ILC (International Linear Collider) Schema di ILC Uno dei rivelatori proposti ad ILC Un evento a 4 jets “visto” dal rivelatore

15 S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto 15 Muon Collider ● Collisionatore Circolare muone-antimuone con diametro di ~2 km; ● Garantisce misure di alta precisione(?); ● Energia nel C.M. fino a 7 TeV; ● I muoni hanno una vita media di ~2.2µs (µ → e υ e υ µ ) ● I muoni prima di essere usati per il fascio devono essere “termalizzati”. ● Gli e prodotti dal decadimento dei µ producono sciami di particelle che investono il rivelatore (background).

16 S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto 16 Muon Collider Background nel MuC: ~10 8 particelle da cui “distinguere” ~10 2 particelle di segnale. Il rivelatore ha un cono di tungsteno sulla linea del fascio per attenuare l'effetto del background.

17 S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto 17 Muon Collider Il background distorce la “visione” del rivelatore. Una volta rimosso il background il rivelatore ci “vede bene”.

18 S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto 18 T1015-ADRIANO ( ) A Dual-Readout Integrally Active Non-segmented Option Vetro ad alta densità. Componente elementare. Fibre: luce scintillazione. Vetro: luce Cerenkov. Preparazione di tre celle prototipo da testare con un fascio di particelle. Inserimento del prototipo nella “black box” per la preparazione del test con un fascio di particelle nell'area sperimentale.

19 S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto 19 Scint signal w/o neutron componentNeutron component in the scint signalReconstructed energyCerenkov signal Principio della calorimetria Multi-Readout

20 S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto 20 teorie fisiche esperimenti tecnologie & materiali conoscenza / progresso rivelatori “Ciclo del progresso”

21 S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto 21 Commenti finali ● Il lavoro di un fisico richiede grande impegno e tanta passione. ● Negli ultimi 50 anni la fisica delle particelle ha fatto grossi progressi. ● Il Modello Standard spiega con grande accuratezza un gran numero di osservazioni sperimentali, ma ci sono indicazioni che ne richiedono una estensione. ● Gli acceleratori e i rivelatori odierni spingono all'estremo la tecnologia (c'è bisogno di nuove idee[?]). ● La tecnologia sviluppata ad-hoc per la fisica delle particelle spesso trova impiego in ambiti di uso quotidiano.

22 S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto 22 Grazie dell'attenzione!!!

23 S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto 23 Backup slides

24 S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto 24 The cast of quarks & leptons FamilyQuarksAntiquarks Q = +2/3Q = -1/3Q = -2/3Q = +1/3 1ud 2cs 3tb FamilyLeptonsAntileptons Q = -1Q = 0Q = +1Q = 0 1e-e- e e+e+ e 2     3    

25 S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto 25Campoq/e m (GeV) 6.8 x 10 -3 -1/3d 3 x 10 -3 2/3 u < 3 x 10 -9 0 e 5 x 10 -4 e 1 ^ Famiglia 0.12-1/3s 1.22/3 c < 1.9 x 10 -4 0  0.106  2 ^ Famiglia 4.3-1/3b 174.32/3 t < 18.2 x 10 -3 0  1.78  3 ^ Famiglia Campi Materiali

26 S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto 26 Materia Oscura Sembra che l’Universo non sia fatto della stessa materia come il nostro Sole e le stelle La materia oscura esercita una attrazione gravitazionale sulla materia, ma non e’ stata ancora rivelata.

27 S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto 27 L’ Universo in accelerazione Esperimenti recenti che utilizzano Supernovae di Tipo Ia hanno mostrato che l’ Universo si sta ancora espandendo e che il rate di espansione sta aumentando Questa accelerazione deve essere guidata da un nuovo meccanismo che e’ stato chiamato energia oscura.

28 S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto 28 Paglia 999Kg Osservazione indiretta ● Il peso di un sacco di paglia è dell'ordine di 1 Kg. ● Il peso misurato è troppo esagerato: 999 Kg!!! ● Probabilmente il sacco contiene qualcos'altro di più pesante della paglia.

29 S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto 29 Particle Physics and its Questions Particle Physics: The study of the basic building blocks of matter and the interactions between them Some questions that drive this research: Are there fundamental constituents of matter in the Universe? If so, what are they and what are their properties? What are forces and how are they transmitted? What is mass? What is anti-matter and where did it all go? What does this tell us about the origins of the Universe and its fate?

30 S. Angelo Dei Lombardi - Liceo Scientifico Tecnologico 8 Ottobre 2015 Vito Di Benedetto 30 The Standard Model What is it? The b est theoretical framework we have for particle physics today It has been a remarkable success BUT we know it is incomplete So, what does the phrase “STANDARD MODEL” mean? A unification of all matter into two types of particles A unification of the Electromagnetic and Weak Nuclear forces A description of the interaction between fundamental particles in terms of the exchange of fundamental force particles Some things it does not do: It does not unify the Strong and Electro-Weak forces (GUTS?) It ignores Gravity, so does not tell us anything about how it might be unified with the other forces ( TOE ?) It does not explain why there are so many generations of particles It does not explain the disappearance of anti-matter in the Universe.