Alla ricerca dell'inaspettato nella fisica delle alte energie - Porte Aperte 2018 Università Sapienza e INFN Roma

Riccardo Paramatti
               Università Sapienza e INFN Roma
               Porte Aperte 2018

Alla ricerca dell'inaspettato
nella fisica delle alte energie

Nella prossima
      mezz’ora vi parlerò di…
   Il Modello Standard delle particelle elementari
    e la scoperta del bosone di Higgs.
   Perché cerchiamo soprattutto l’inaspettato.
   Una breve introduzione ai rivelatori di
    particelle.
   Le attività di ricerca sperimentale in fisica
    delle alte energie che vedono coinvolti i
    docenti e ricercatori del Dipartimento di
    Fisica della Sapienza.
Perché alte energie?            Se potessimo accelerare un docente di Fisica alla
velocità dei protoni di LHC, avremmo E ~ 7000 mc2 ~1022 Joule ~109 chilotoni
                                                                                    2

Di che cosa siamo fatti ?
              Lo spazio occupato dalla materia è
               soprattutto vuoto
              Tutta la materia ordinaria che
               conosciamo può essere ricondotta a
               due tipi di costituenti elementari:
               elettroni e quark
                                           elettrone

Forze e interazioni
   La materia, così come le particelle, interagisce
    attraverso le forze.
   Le interazioni possono agire a distanza grazie
    a campi di forza.

       Il campo gravitazionale
        generato dal Sole
        determina il moto
        dei pianeti.
       Il campo elettromagnetico permette comunicazioni
        a grandi distanze con la trasmissione di onde.
                                                           4

Forze e interazioni
   Le forze si possono spiegare su dimensioni
    microscopiche come lo scambio tra due particelle di
    un’altra particella che fa da mediatore.
   Il fotone è il mediatore della
    forza/interazione
    elettromagnetica.
   Un’applicazione della fisica
    dei fotoni è il laser.
   Le altre particelle mediatori
    sono i gluoni (interazione
    nucleare forte) e i bosoni
    W e Z (interazioni nucleari deboli)
                                                          5

Il Modello Standard
   Tutte le particelle elementari
    conosciute e le loro forze
    (interazioni) sono riunite in
    un unico modello teorico.
   Le particelle che formano
    la materia ordinaria
    esistono in tre repliche.
   Per ogni particella di materia
    esiste una antiparticella.
   Il Modello Standard non è
    completo:
       È il gravitone la particella   Solo la prima replica forma
        che corrisponde al campo       la materia che ci circonda.
        gravitazionale?                                              6

A che serve il campo di
       Higgs ?
   Nel Modello Standard non c’è modo di spiegare perché le
    particelle hanno la massa; esse dovrebbero sempre viaggiare
    alla velocità della luce, come i fotoni.
   Ma il mondo non è fatto così: e per fortuna !
   Peter Higgs e altri trovarono quasi
    50 anni fa un meccanismo che
    permette di spiegare perché le
    particelle elementari hanno massa.
   La massa delle particelle viene
    generata da un nuovo campo che è
    presente e si manifesta in tutto lo spazio.
   Le particelle che interagiscono con il campo di Higgs
    vengono rallentate; non viaggiano più alla velocità della luce,
    e hanno acquistato una massa non nulla !                        7

Il bosone di Higgs
   Maggiore è l’intensità dell’interazione col campo di Higgs,
    maggiore è la massa. Perciò ci sono particelle più pesanti di
    altre.
   Ma come facciamo a capire che il meccanismo di Higgs sia
    realmente la soluzione esistente in natura e non soltanto
    una ipotesi affascinante ?
   Come ogni campo anche quello
    di Higgs lascia una traccia…
    una particella associata ad
    esso, con proprietà ben
    definite, il bosone di Higgs.
   Ci sono voluti 50 anni per
    (produrre) trovare questa
    traccia !!
                                                                    8

Cern - 4 luglio 2012

Il Modello Standard
   Questa teoria ha
    mostrato finora una
    impressionante
    capacità predittiva
   Le previsioni teoriche
    coincidono con i
    risultati sperimentali
    ottenuti negli ultimi
    decenni con un
    livello di precisione
    molto elevato.
   E ora ? Cerchiamo di
    andare oltre al MS.

Il Modello Standard

                      11

Domande fondamentali
      (ancora) senza risposta
   Perché proprio tre repliche di quark e leptoni ?
    E perché di masse così diverse ?
   Perché nell’universo esiste questa forte
    asimmetria tra materia e antimateria ?
   Come è connessa la gravità alle altre tre forze ?
    Le forze sono unificate ad
    altissime energie ?
   Che massa hanno i neutrini?
   Cosa è la materia oscura ?
   …                                               12

L’inaspettato: la ricerca
       di materia oscura
   Stelle e pianeti
    costituiscono solo il 5%
    circa del contenuto
    dell’universo
   Gran parte della massa
    non è visibile
    direttamente, ma solo
    attraverso i suoi effetti
    gravitazionali

                                Curva di rotazione della galassia M33
                                                                        13

L’inaspettato: unificazione e
       supersimmetria ?

                                                    SUSY
   Le intensità degli accoppiamenti nello SM non
    sono compatibili con una grande unificazione
   La Supersimmetria (SUSY) potrebbe essere un
    meccanismo necessario per garantire
    l’unificazione delle interazioni
   Per ogni particella esisterebbe una
    corrispondente s-particella
   SUSY prevede anche particelle candidati di
    materia oscura: particelle stabili che
    interagiscono pochissimo con la materia                14

Ricerche sperimentali in
     fisica delle alte energie.
Come cerchiamo fenomeni nuovi e inaspettati ?
Una ricca gamma di attività, dove il Dipartimento
di Fisica della Sapienza e la Sezione di Roma
dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare sono
protagonisti.
  Esperimenti agli acceleratori di particelle (e.g. al CERN,
   ai LNF – INFN)
 Esperimenti nei laboratori sotterranei (e.g. LNGS -
   INFN)
 Esperimenti con raggi cosmici

In molti casi è la natura a fornirci direttamente le
particelle di alta energia da studiare.                     15

I rivelatori di particelle
                                                             Nella fisica
   area                                                   sperimentale, un
  attiva                                             rivelatore di particelle
                                                           o rivelatore di
                                                         radiazione è uno
                                                       strumento usato per
elettronica di
                                                        rivelare, tracciare e
    lettura
                                                      identificare particelle.
                                                             (Wikipedia)

                                                     rivelatore
                                                      di fotoni

    I rivelatori di particelle sono strumenti che producono un segnale
  osservabile quando vengono colpiti da una particella. Sono solitamente
costituiti da un elemento attivo (con cui interagisce la radiazione) e da un
  sistema di lettura (che forma il segnale e lo invia all’acquisizione dati)

I rivelatori di particelle
Le particelle non possono essere viste direttamente
Solo la loro interazione con la materia può essere misurata
Questa è convertita in:
• fotografie ottiche
• segnali in corrente o tensione elettrica

Il rivelatore ATLAS al CERN è lungo 46 metri e ha
un diametro di 25 metri (un palazzo di otto piani).   18

Il rivelatore CMS al CERN ha una massa di
    I rivelatori di particelle
12500 tonnellate (più pesante della Torre Eiffel)

                                                    19

ATLAS e CMS al Large
        Hadron Collider del CERN
   ATLAS e CMS sono i due esperimenti multi-purpose
    all’acceleratore LHC.
   Molti docenti di questo dipartimento hanno avuto un
    ruolo importante nella costruzioni di entrambi i
    rivelatori e nella preparazione delle analisi che hanno
    portato alla scoperta del bosone di Higgs.
   Run2: collisioni p-p a 13 TeV (2015-2018)
       Studio delle proprietà dell’Higgs (hot topic: ttH)
       Ricerca di particelle supersimmetriche
       Ricerca di materia oscura
       Ricerca di particelle previste da modelli di extra-dimensions
       Ricerca di...
   Run3 a partire dal 2021 e poi fase 2 di LHC (dal 2026)              20

Genesi di una scoperta:
       Higgs boson in 4 leptons

   Un eccesso di eventi rispetto
    a quelli previsti dal Modello
    Standard non compatibili con    Utilizzo di analisi multivariate,
    una fluttuazione statistica.    reti neurali e machine learning.    21

Ricerca di fisica oltre il
      Modello Standard

Alcune teorie prevedono l’esistenza    Si possono manifestare come
di nuove dimensioni spaziali, non      picchi o eccessi nella parte ad
accessibili nella nostra esperienza    alta energia delle distribuzioni.
perché “compattificate” con raggi di   O anche come energia
curvatura molto piccoli.               mancante nel rivelatore (SUSY). 22

Ricerca di fisica oltre il
      Modello Standard

Se le particelle Supersimmetriche decadono in particelle stabili che
non interagiscono con la materia (candidati materia oscura) nel
rivelatore deve mancare energia.
LHC non ha trovato finora particelle SUSY: potrebbero essere più
pesanti di quanto si pensasse.                                         23

ALICE e la fisica degli ioni
      pesanti
   Ad LHC si studiano anche collisioni tra ioni pesanti
    (p-Pb, Pb-Pb, Xe-Xe, …)
   ALICE è un rivelatore
    dedicato allo studio delle
    interazioni forti e del
    quark-gluon plasma
    nelle collisioni tra ioni.

                                                           24

CRYSBEAM
   Crystal channeling per estrarre fasci di adroni di alta
    energia da un acceleratore; studio di fattibilità di un
    fixed target experiment, studio di sciami adronici.
   Cristalli di silicio “incurvati” riescono ad intrappolare
    e deflettere protoni e ioni di LHC.

    

                                                                25

KLOE-2 ai LNF - INFN
   KLOE-2 è un esperimento che ha appena terminato
    la fase di presa dati all’acceleratore DAΦNE di
    Frascati (Φ factory: collisioni elettrone-positrone a
    ~1 GeV nel centro di massa).

   Studio della fisica dei mesoni K
    e della violazione delle
    simmetrie discrete (CP e CPT).
   Studio della fisica degli
    adroni leggeri.
   Ricerca di materia oscura

                                                            26

PADME ai LNF - INFN
   L’esperimento PADME (Positron Annihilation into
    Dark Matter Experiment) è finalizzato allo studio della
    reazione e+e- →γA’ con fasci di positroni su un
    bersaglio sottile di diamante.
   A’ è il “dark photon”, nuova particella mediatore tra il
    Modello Standard e la materia oscura.

                                                               27

CUORE ai LNGS - INFN
   CUORE: Cryogenic Underground Observatory for Rare
    Events
   L’esperimento CUORE vuole dare una risposta alla
    domanda fondamentale: i neutrini sono particelle di
    Dirac (hanno antiparticelle distinte) o di Majorana
    (coincidono con la propria antiparticella) ?

   Ricerca del NDBD:
    decadimento doppio
    beta senza neutrini.
   T < 10 milliKelvin !!
   In presa dati dal 2017.
                                                          28

KM3NeT per neutrini
   Goal: osservazione delle sorgenti astrofisiche di
    neutrini di altissima energia e misura della massa dei
    neutrini.
                                   Una rete di telescopi per
                                   neutrini in costruzione
                                   nel mar Mediterraneo che
                                   rivela luce Cherenkov
                                   prodotta dall’interazione
                                   dei neutrini nel mare
                                   profondo.

                                 Hot topic: link ad un
                                 annuncio di 5 giorni fa   29

30

Ricadute tecnologiche e
       applicazioni di fisica medica
Alcuni “effetti collaterali” della ricerca di base in fisica
delle particelle:
 Adroterapia oncologia:
   curare i tumori con
   acceleratori di protoni e ioni
   (CNAO a Pavia)
 Positron emission tomography
   (PET) è un’applicazione
   medica dell’antimateria
 Il World-Wide Web è nato al
   CERN quasi 30 anni fa…

                                                               31

Applied Radiation Physics
        Group (ARPG)
  L’ARPG è un gruppo di ricerca composto da fisici delle alte
   energie e da bio-ingegneri creato nel 2011 che trasferiscono
   le proprie competenze nella costruzione dei rivelatori e
   nell’analisi dei dati in applicazioni di fisica medica.
Dipartimento di Fisica e di Scienze di Base
Applicate per l’Ingegneria (SBAI) della Sapienza.
  Particle Therapy: misura delle sezioni
   d’urto per trattamento dei tumori
   con fasci di particelle.
  Costruzione di rivelatori per la
   chirurgia radioguidata.
  Programmi di simulazioni veloci
   con GPU per i piani di trattamento.
  Analisi multivariate nella diagnostica per immagini            32

Qualche informazione finale
   Ho potuto mostrarvi solo una parte
    delle attività di ricerca sperimentale
    nella fisica delle particelle che
    facciamo qui. Mi scuso per le
    inevitabili omissioni che sono mia
    esclusiva responsabilità.
   Potete trovare informazioni più
    complete nel Report Scientifico del
    Dipartimento di Fisica (link) uscito
    un anno fa. In particolare le pagg.
    84-126 sono dedicate alle ricerche
    di alta energia.
    Trovate anche i nomi dei docenti e i
    siti web dei gruppi di ricerca.
                                             33

Qualche informazione finale
   Altri siti utili: Dipartimento di Fisica (link) e Sezione di
    Roma dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (link).
   Altre attività di ricerca INFN (disponibilità tesi di Laurea
    e tesi di Dottorato come per le attività presentate oggi).
       LHC-b al CERN (studio della fisica del quark b a LHC)
       MEG al PSI di Zurigo (ricerca di nuova fisica mediante µ→eγ)
       AMS2 sulla Stazione Spaziale Internazionale (misure di preci-
        sione su raggi cosmici e antimateria e ricerca di materia oscura)
       DAMA ai LNGS (ricerca di materia oscura con scintillatori NaI)
       T2K in Giappone (oscillazione dei neutrini)
       e molti altri.
   Per ulteriori informazioni potete contattarmi a:
    riccardo.paramatti@roma1.infn.it
                                                                        34