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14a edizione
Cosa vogliamo capire studiando la fisica delle particelleelementari?
quali sono i costituenti elementari della materia che ci circonda?
quali forze agiscono fra questi costituenti elementari?
queste forze sono in grado di spiegare la moltitudine di fenomeni cheosserviamo?
come ha avuto origine l’universo?
domandine semplici semplici, insomma ...
C. Patrignani - Bologna Masterclasses 2018 2
Come faccio a ”vedere” di cosa e fatta la materia?
Guardandola da vicino
Con un microscopio posso vedere oggetti didimensioni confrontabili con la lunghezzad’onda della luce con cui li osservo
Con la luce visibile posso risolvere oggetti grandi circa un millesimo dimillimetro (fino a circa 0.5 µm)
La radiazione elettromagnetica e composta da fotoni
la sorgente emette fotoni
i fotoni colpiscono il bersaglio e alcuni vengono riflessi
l’occhio riceve una parte dei fotoni che hanno colpito il bersaglio e ilnostro cervello ricostruisce l’immagine
C. Patrignani - Bologna Masterclasses 2018 3
Osservare l’infinitamente piccolo
Per osservare dimensioni al di sotto del µm devo usare lunghezze d’ondapiu piccole
Posso usare come sonda fotoni di lunghezza d’onda piu corta oppureposso usare come sonda delle particelle:
λ =h
plunghezza d’onda di De Broglie
lunghezza d’onda associata ad unaparticella di momento p(meccanica quantistica)
per avere momento sufficientementeelevato devo accelerare le particelle
tanto maggiore l’energia tanto minorile dimensioni che riesco a studiare
C. Patrignani - Bologna Masterclasses 2018 4
Unita di misura dell’energia
Nel SI l’energia si misura in joule
1 J = 1 N × 1 m
nel mondo microscopico si usal’elettronvolt
1 eV = 1.6 · 10−19J
per un’auto di 1000 kg che viaggia a100 km/h
Ecin =1
2mv2 = 3.9·105J = 2.4·1024eV
protone (m = 1.67 · 10−27kg) aduna velocita di 105m/s
Ecin =1
2mv2 = 6.4 · 10−19J = 4 eV
1 keV=103eV (raggi X)
1 MeV=106eV
1 GeV=109eV (particelle in un piccolo acceleratore)
1 TeV=1012eV (particelle nei grandi acceleratori)
C. Patrignani - Bologna Masterclasses 2018 5
Struttura della materia
Studiando la materia che ci circonda a distanze
sempre piu piccole abbiamo capito che e fatta di
atomi, che gli atomi sono fatti di elettroni con un
nucleo fatto di protoni e neutroni, che protoni ed
elettroni sono fatti di quark
C. Patrignani - Bologna Masterclasses 2018 6
Regolarita e sottostrutture
regolarita degli atomi
forza elettromagnetica fra elettroni enuclei
regolarita dei nuclei
forza ”forte” fra protoni e neutroni
ci sono altre regolarita?bisogna osservare con ”sonde” di lunghezza d’onda piu piccole=⇒ energia maggiore
C. Patrignani - Bologna Masterclasses 2018 7
La massa si puo trasformare in energiaNegli urti fra particelle di energia sufficientemente elevata possonoprodursi altre particelle
E = mc2
Si crea sempre materia edantimateria in parti uguali
Non solo si crea materia e antimateria, mapossono venire prodotte particelle elementari chenon sono presenti nella materia che conosciamo!
C. Patrignani - Bologna Masterclasses 2018 8
Quark, leptoni e mediatori delle forzeNon ci sono solo i quark u e d che
compongono protoni ed elettroni
ci sono altre due ”famiglie” diquark
Non ci sono solo l’elettrone e ilneutrino νe (osservato neidecadimenti radioattivi)
ci sono altre due ”famiglie” di”leptoni
(e le loro antiparticelle!)
... e ci sono anche delle particelle ”mediatrici” delle forze: γ, g , W , Z
E c’e il bosone di Higgs, altrimenti nessuna di queste particelle potrebbeavere massa!
C. Patrignani - Bologna Masterclasses 2018 9
”il bosone di Higgs da massa alle particelle” (????)
Cosa significa per una particella avere massa? Sono oggetti puntiformi...
se la massa e zero viagga alla velocitadella luce
se la massa e diversa da zero no
avere massa per una particella e un po’ comeessere ”trattenuta” da una forza esercitatadal vuoto
se c’e una forza c’e una particella scambiata: il bosone di Higgs
osservato nel 2012!
C. Patrignani - Bologna Masterclasses 2018 10
Fuori tema? Onde gravitazionali
emesse nel processodi fusione di duebuchi neri
previste dalla teoriadella relativitagenerale, finalmenteosservate
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Modello Standard delle particelle elementari
Le interazioni mediate dai bosoniriescono a spiegare la strutturaatomica, le (tante) particellecomposte da quarks (e antiquarks), idecadimenti radioattivi, le reazioninucleari nel sole...
TUTTO BENE? sı e no
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Materia e antimateria
Ad ogni particella corrisponde unaantiparticella(i mediatori delle forze non hannoantiparticelle: non esistel’antifotone!)
La carica dell’antiparticella eopposta a quella della particella
Quando particella e antiparticella siincontrano si annichilano
Particelle e antiparticelle vengonoprodotte in quantita uguali nelleinterazioni
(le antiparticelle non solo sono osservate normalmente, ma sono usate diroutine nella PET)
C. Patrignani - Bologna Masterclasses 2018 13
Dove e finita l’antimateria?
Dal Big Bang e dalla conversione di energia inmateria, particelle e antiparticelle sono stateprodotte in egual misura
pero il nostro universo e formato solo damateria (almeno per quanto riusciamo adosservare astronomicamente)
Dove e finita l’antimateria?
L’annichilazione fra particelle e antiparticelle nonpuo eliminare solo antiparticelle
l’unico meccanismo che conosciamo sono le piccoledifferenze (”violazione di CP”) fra particelle eantiparticelle composte da quark pesanti
Basta a spiegare la sparizione dell’antimaterianell’universo?
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Materia oscura ed energia oscura
L’universo ha una massa molto maggiore di quella ”visibile” dovuta allamateria ”ordinaria”
Come ce ne siamo accorti?
Misurando la velocita di rotazione dellegalassie
La velocita di rotazione dipende dalla massaall’interno dell’orbita
La massa e circa 20 volte piu grande diquella visibile!Materia oscura!si puo produrre in interazioni fra particelle?
E non basta: la velocita di espansionedell’universo non e compatibile con la suamassaEnergia oscura? La materia ordinaria e
meno del 5%!!
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Altri problemi aperti nel Modello Standard
Ci sono tante particelle...
6 quark6 leptoni(e le loro antiparticelle!)4 mediatori delle forzeil bosone di Higgs
Troppe?
perche ci sono tre famiglie?(3 e il numero minimo che consente piccole differenze fra materia eantimateria, ma potrebbero essere anche di piu)
perche hanno masse cosı diverse?
e la gravita come la includo nella teoria?
C. Patrignani - Bologna Masterclasses 2018 16
Estensioni del Modello Standard?
Ci sono diverse idee su come sia possibile estendere il modello standard
Alcuni modelli ipotizzano che adogni particella corrisponda unaparticella ”supersimmetrica”
Le particelle supersimmetriche sono(molto?) piu pesanti
La piu leggera di queste particellesupersimmetriche sarebbe stabile
E’ stato anche proposto che ci siano anche altre dimensioni oltre alle 3spaziali che conosciamo
Tutte queste teorie prevedono qualche fenomeno osservabile soload energie di interazione piu alte di quelle studiate fino ad oggi
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Una possibile strategia:
Un acceleratore in grado diprodurre moltissime collisioni adaltissima energia(devono essere tante perche leparticelle che cerchiamo possonoessere prodotte molto raramente)
un insieme di rivelatori, chesfruttino nel modo migliore lediverse interazioni coi diversi tipi diparticelle in modo da ricostruirequello che viene prodotto nellecollisioni
C. Patrignani - Bologna Masterclasses 2018 18
Il CERN, LHC e gli esperimenti
C. Patrignani - Bologna Masterclasses 2018 19
CERN: Centro Europeo di Ricerca Nucleare
1949: prima proposta per unlaboratorio europeo L. de Broglie
1950: proposta all’UNESCO
1952: scelta della sede di GinevraE. Amaldi nominato SegretarioGenerale del CERN
1954:ratifica della convenzionetra i 12 Stati FondatoriRepubblica Federale Tedesca,Belgio, Danimarca, Francia,Grecia, Italia, Norvegia,Olanda, Gran Bretagna, Svezia,Svizzera, Iugoslavia
OGGI: 22 stati membri (contribuiscono alfinanziamento, rappresentati nel Councilresponsabile di tutte le decisioni)
... e sono molti di piu i paesicon cui il CERN collabora
C. Patrignani - Bologna Masterclasses 2018 20
LHCDue fasci di protoni accelerati fino a 7 TeV e portati a colliderefrontalmente in un anello di 27 km che si trova mediamente 100 metrisotto terra
I ricercatori di Bolognapartecipano a quattro degliesperimenti:LHCb, Atlas, CMS eALICE
C. Patrignani - Bologna Masterclasses 2018 21
Accelerare le particelle fino a 7 TeV
Portare i protoni a quelle energierichiede un sistema che li accelerigradualmente
possono essere anche utilizzati peraltri tipi di esperimenti, utilizzandole tante ”linee di estrazione” deifasci
Tantissime misure diverse, non soloLHC!
C. Patrignani - Bologna Masterclasses 2018 22
Una impresa tecnologica!magneti superconduttori alla
temperatura di 1.9 K (-271oC) intutti e 27 i km del tunnel
scavare e attrezzare caverne peralloggiare i rivelatori
progettare costruire e installarerivelatori alti come un palazzo di 5piani
migliaia di Terabytes al mese daacquisire e analizzare
C. Patrignani - Bologna Masterclasses 2018 23
Quanto e costato?Circa 20 anni di lavoro tra
progettazione e costruzione, circa10.000 fisici ed ingegneri di 85 paesi.
6 miliardi di euro
un quarto delle Olimpiadi diLondrauna settimana di guerra inIraq
36 milioni di euro all’anno
60 cent/anno per ciascuno dinoile commesse alle ditteitaliane sono state moltomaggiori dell’investimentoitaliano(l’Ansaldo ha costruito circa1/3 dei magneti)
C. Patrignani - Bologna Masterclasses 2018 24
Non e solo questione di soldi
La conoscenza non ha prezzo... ... ma ha un valore!
Dalle ricerche in fisica delle particelle
strumenti per la diagnosticamedicaPET, risonanza magnetica,...
cura dei tumori con adroterapiatre centri in Italia
radiofarmaci
studio dei coni vulcanici coiraggi cosmici
stumenti per la conservazionedei beni culturali
....
schermi ”touch screen”
il WorldWideWeb e nato alCERN ed e stato messogratuitamente a disposizione ditutti nel 1993
GRID
tanti piccoli e grandi contributia telecomunicazioni, transistore microchip, laser, cristalliliquidi, materiali innovativi
...
C. Patrignani - Bologna Masterclasses 2018 25