SEMPRE PIÙ VELOCI

La straordinaria avventura degli acceleratori di particelle

Adele La Rana

Fondazione Tera, Cern, Università “Sapienza” di Roma

21-21 Marzo 2013, Bari

Il giorno H

CERN, Ginevra 4 Luglio 2012

LHC: Large Hadron Collider

The H-day: il giorno H

CERN, Main building

4 Luglio 2012

Ore 5:00 del mattino

The H-day: l’attesa

CERN, Ginevra

4 Luglio 2012

Ore 5:00 A.M.

The H-day: la fila

Una scoperta a lungo attesa

Previsto fin dal 1964…

…il bosone di Higgs da particella teorica diventa finalmente una

particella reale

Cos’è LHC?

protoni

protoni100 m

Ginevra

CMS

ATLAS

AliceLhc-b

27 km

CERN

Cos’è LHC?

protoni

protoni

Ginevra

CMS

ATLAS

AliceLhc-b

CERN

protoni protoni

Cos’è LHC?

Cos’è LHC?

All’interno delle ‘beam pipe’: il posto più vuoto e freddo dell’universo

protoni

99.999 % velocità della luce

(11 000 giri al secondo)

Accelera e sterza

Cavità a radiofrequenza8 cavità

acceleranti

Campo elettrico E400 MHz

400 milioni di oscillazioni per secondo

LHC

Accelera e sterza

Magneti Deflettori

Campo magnetico B

1232 magneti deflettori da 15

m (18 km)

LHC

protone

+ +

Perché i fisici accelerano le particelle?

Perché i fisici accelerano le particelle?

particelle di alta energia

2mcE =

eV = unità di energia e di massa

Accelerare le particelle vuol dire aumentare la loro energia…

Ma l’energia che si spende per accelerarle non va a

incrementare soltanto la loro velocità!

Anche la loro massa aumenta! È sempre più difficile accelerarle, man mano che la loro velocità si avvicina al

limite c.

2mcE =

Perché i fisici accelerano le particelle?

Energie maggiori permettono di esplorare dimensioni più piccole e guardare più a fondo nel mondo subatomico

È come avere un microscopio più potente

Microscopio elettronico

La luce – usata in un microscopio ottico – ha “dita troppo grandi” per toccare dettagli molto piccoli: servono dita più

sottili!

Gli elettroni!

fotone elettrone

La doppia natura di materia e radiazione

onda e corpuscolofotone

elettrone

Topo-corpuscoli e uccelli-onda

Una storia di alieni… in visita sulla terra

Come prima cosa, s’imbattono in una grotta e in alcune strane creature sconosciute…

Mammiferi come un topo Volano come uccelli

A volte mammiferi e a volte uccelli…

Mammifero volante

λ Fotone > λ Elettrone

Topo-corpuscoli e uccelli-onda

Ma cosa c’entra l’energia?

Onda

λ elettrone

hvE =

Fotone della luce

ë

1v =

E

h=λPiù è grande E, più

piccola è λ e più piccole sono le dita!

Perché i fisici accelerano le particelle?

• 10 milioni di miliardi di miliardi di chilometri

Hubble Space Telescope

Guardiamo lontano nello spazio e indietro nel tempo

Perché i fisici accelerano le particelle?

Fotografia dell’universo alla tenera età di 380 000

Oggi ha 13,7 miliardi di anni

Il nostro album fotografico non potrà mai risalire più indietro di così!

Radiazione cosmica di fondo: radiazione fossile

Perché i fisici accelerano le particelle?

Big Bang

Ora: 13.7 miliardi di

anni dal BG

Espansione

Radiazione cosmica di fondo: 380 000 anni dopo il BG

Perché i fisici accelerano le particelle?

Alte temperature = Alte Energie

13.7 miliardi anni

380 000 anni

3 K

3000 K

tempo

temperatura

Atomi neutri

Stelle e galassie

Vita

1010 K

1 s

eV = unità di energia, di massa e di temperatura

Macchine del tempo

Alte temperature = Alte EnergieLHC riporta indietro fino a 1 milionesimo di

milionesimo di secondo dal Big Bang

Un aumento di ordine 100 nell’energia delle particelle accelerate corrisponde a risalire il tempo di un fattore 10 000!

I fisici delle particelle si resero conto con grande stupore che stavano risalendo il corso del

tempo!

Alte energie… ma alte quanto?

Alte densità di energia!

Ogni protone in LHC ha un’energia pari a 3500 - 4000 GeV

L’energia di un moscerino in volo

Ma un moscerino è fatto da centinaia di miliardi di miliardi di protoni e neutroni

Ohi ohi!

Ahia!

Collisione: più facile a dirsi che a farsi

Quando lanciamo l’una contro l’altra due manciate di sassolini, non tutti collideranno!

E’ necessario che i fasci siano ben focalizzati, con i protoni quanto più vicini tra loro possibile, repulsione elettrica permettendo!

Collisione: una volata di particelle

• I gruppi di protoni tendono inoltre a “spampanarsi”, man mano che girano nell’acceleratore!

L’idea è che invece il gruppo proceda compatto come in

una volata di ciclisti

~ 100 000 milioni di protoni per

gruppo

Collisione: una volata di particelle

Quadrupolo magneticoLHC

dipolo deflettore

392 quadrupoli da 5-7 m

Quadrupoli in posizione

Posizionamento di un quadrupolo nel tunnel,

dopo la fase di test

Quanti???

Non solo accelerare… anche rivelare

Atlas

Si trova100 m sotto terra!Il più grande rivelatore di particelle

mai costruito: lungo 46 m, alto 25 m, pesa 7000 tonnellate

Durante il montaggio…

Non solo accelerare… anche rivelare

CMS

Si trova100 m sotto terra!

Un po’ più piccolo di Atlas: lungo 22 m, alto 14,pesa 12

500 tonnellate

Sia Atlas che CMS sono fatti di strati concentrici,

ciascuno ottimizzato per tracciare tipi diversi

di particella

Non solo accelerare… anche rivelare

CMS

Le particelle di alta energia prodotte nelle collisioni hanno vita brevissima (10-20 s per es.) e decadono in altre particelle, che a loro

volta possono decadere

CMS

The H-day: il giorno HCERN, Main building - 4 Luglio 2012, Ore 5:00 del mattino

Cos’è il bosone di Higgs?

Bosoni e fermioni

FermioniBosoni

fotoni della luce

elettroniRaggio laser

Ma anche protoni, neutroni, quark…

Tutta la materia

Bosoni

Forza debole

Le quattro forze fondamentali

Forza gravitazionale Forza elettromagnetica

Forza forteprotone neutrone

Le forze come scambio di bosoni

I fotoni sono mediatori della forza elettromagnetica

Le forze come scambio di bosoni

Forza debole

Forza gravitazionale Forza elettromagnetica

Forza forte

fotone γgravitone

Ancor

a mai

rivela

to da

gli

espe

rimen

ti

8 gluoni 3 astenoni

87654321 g ,g,g ,g ,g ,g ,g ,g −+ W, W,Z0

Modello Standard delle forze e delle particelle

Particelle - forza Bosoni

Particelle - materia Fermioni

Ma cosa c’entra Higgs?

Particelle - forza Bosoni

Particelle - materia Fermioni

Unificazione delle forze

Il meccanismo di Higgs

Tutto lo spazio è pervaso da un campo: il campo di Higgs.

A seconda di come interagiscono con il campo, le particelle acquistano masse diverse.

Campo di Higgs

Campo di Higgs

Tutte le particelle si muovono nel

campo di Higgs.

Il meccanismo di Higgs in metafora

Metafora di David Miller 1993

Il meccanismo di Higgs

In analogia al campo elettromagnetico che ha i fotoni e al campo gravitazionale che ha i gravitoni, il campo di Higgs ha le sue particelle corrispondenti: i bosoni di Higgs.

L’unico modo per smascherare il campo di Higgs e mostrare che esiste è rivelare i suoi bosoni.

Il meccanismo di Higgs

In analogia al campo elettromagnetico che ha i fotoni, il campo di Higgs ha le sue particelle corrispondenti: i bosoni di Higgs.

Le collisioni in LHC raggiungono l’energia necessaria per produrre i bosoni di Higgs, previsti dalla teoria

Un abbraccio tra teoria ed esperimento

4 Luglio 2012:Annuncio della scoperta del

bosone di Higgs

Fabiola Gianotti e Peter Higgs

Il nuovo bosone ha una massa pari a circa

125 GeV

Higgsteria

Higgsteria

CMS Guitar

Il Concerto

Hardronic 2012

L’ultimo concerto delle Cernettes

Hey mister Higgs, do you wanna do the twist? Do you wanna rock

it rock it with the Cernettes?

Les Horribles Cernettes

La prima fotografia della storia a essere comparsa sul World Wide Web

L’inventore del Web, Tim Berners Lee

Perché tanti italiani al CERN?

Numero italiano e numero ricercatori al CERN

Siamo bravi in fisica, ma non solo…

Edoardo Amaldi, uno degli ideatori e

fondatori del Cern

I leggendari ragazzi di via Panisperna, guidati da Enrico Fermi

“La fisica è bella e utile”

Ugo Amaldi

…per la fisica utile, vedi capitolo 6!

“La fisica è bella e utile”

CNAO (Centro Nazionale Adroterapia Oncologica), Pavia

Una passione giovane

Grazie a tutti per l’attenzione!