Caccia all'invisibile - Principi e metodi sperimentali della Fisica delle particelle - Touschek
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Caccia all’invisibile Principi e metodi sperimentali della Fisica delle particelle Alessandro Scordo Liceo Touschek di Grottaferrata 04/02/2019
Se c è una costante…
Se la velocità della luce è
costante (c) allora
Onde o particelle ???
1923 De Broglie: Un e- si comporta talvolta
come un’onda e talvolta come una particella
Particella Onda
Impulso (p) Lunghezza d’onda ()
Energia (E) Frequenza ()
…ad ogni particella è associata un’onda:
p = h/h
con hJsec
h
6.63 10
Js 34
7.28 10 11
m
mv 9.1110 kg 10 m/s
31 7
LE FORZE DELLA NATURA
L’interazione elettromagnetica
L’interazione forte
Il nucleo atomico è composto da protoni e
neutroni.
Sebbene i protoni abbiano carica positiva e, per la
legge di Coulomb, dovrebbero respingersi,
rimangono insieme all’interno del nucleo atomico
grazie all’interazione forte.
Il protone non è una particella elementare → è
composto a sua volta da altre particelle, i quark e i
gluoni (questi ultimi rappresentano i mediatori
dell’interazione forte).
Ancora non conosciamo del tutto il
protone: ad esempio, non sappiamo
come si generi la sua massa →
confinamento
L’interazione debole
Positroni!!!
Il Modello Standard
Fermioni Bosoni
Quarks
u c t g
up charm top gluone Gravità
d s b
Mediatori di Forze
down strange bottom fotone
e W
Leptoni
e-neutrino -neutrino -neutrino il
e
bosone
Z fantasma
elettrone muone tau bosone
dell’opera
I II III Bosone
Famiglie di di Higgs
materiaLEPTONI
Particelle soggette alla forza debole.
Hanno spin ½ћ
Diametri inferiori a 10-19 m.
Nome Elettrone Neutrino elettronico
Simbolo e- e
Carica -1 0
Massa 0,511 MeV < 7 eV
Vita media (s) > 1030 > 1030
Nome Muone Neutrino muonico
Simbolo -
Carica -1 0
Massa 105,7 MeV < 0,25 MeV
Vita media (s) 2,210-6 > 1030
Nome Tauone Neutrino tauonico
Simbolo -
Carica -1 0
Massa 1,777 GeV < 31 MeV
Vita media (s) 2,9110-13 -Conservazione del numero leptonico
QUARK
Hanno carica frazionaria.
Hanno spin ½ћ
Nome up down
Simbolo u d
Carica +2/3 -1/3
Massa 3,5 MeV 3,5 MeV
Nome charm strange
Simbolo c s
Carica +2/3 -1/3
Massa 1,8 GeV 520 MeV
Nome top bottom
Simbolo t b
Carica +2/3 -1/3
Massa 172 GeV 5,2 GeVPROPRIETA’ DEI QUARK
Barioni
u u d u d d
p n
u u d u d d
+ 0PROPRIETA’ DEI QUARK
Mesoni
u d d u
+ -
u d d u
+ -CARICA DI COLORE
Tutti i barioni sono costituiti da quark rossi, verdi e blu.
Come per i colori veri e propri la combinazione di tutti i colori
primari dà il bianco, così la combinazione dei quark colorati dà
barioni incolori.
u u d u d d
protone neutroneCARICA DI COLORE
Come un quark ha un antiquark, ogni colore ha il suo anticolore.
I mesoni sono costituiti da un quark di un colore e un antiquark
che porta l’anticolore.
u d d u
+ -CARICA DI COLORE
Le varietà di quark (up, down, ecc.) sono dette sapori (flavors).
Ogni sapore si presenta in tre colori
(6 sapori) x (3 colori) = 18 quark
Ai 18 quark sono associati 18 antiquark.
Ognuno dei 6 leptoni ha un’antiparticella (12 in tutto)
Totale 48 particelle elementari.
Saranno troppe ?PARTICELLE MEDIATRICI DI FORZA
Una questione che ha assillato per molti anni i fisici è
stata:
"come interagiscono le particelle materiali?".
Se prendiamo due magneti e avviciniamo il polo nord di uno
al polo nord dell'altro, i magneti si respingono senza
toccarsi!
E' facile dire che "i magneti hanno un campo di forza
elettromagnetica", ma questo non risolve il problema:
che razza di forza esercitano i magneti l'uno sull'altro?PARTICELLE MEDIATRICI DI FORZA
PARTICELLE MEDIATRICI DI FORZA
La forza gravitazionale è probabilmente la forza che ci è
più familiare, ma non è compresa nel Modello Standard
perché la formulazione attuale della teoria della
gravitazione (la relatività generale) non è compatibile con
la meccanica quantistica.
Anche se la gravità agisce su ogni cosa, è una forza molto
debole quando non ha a che fare con grandi masse.
La particella mediatrice per la forza di gravità è il
"gravitone".
La particella non è stata ancora osservata.Cosa tiene insieme il nucleo atomico?
Ci si aspetterebbe che il nucleo di un atomo esplodesse per via
della repulsione elettromagnetica tra i protoni.
Invece la maggior parte dei nuclei atomici è molto stabile!
Da dove viene l'energia necessaria a contrastare la repulsione
elettromagnetica?E' stato stabilito che i quark hanno una carica di colore.
Tra particelle dotate di carica di colore agisce l‘interazione
forte.
Dato che questa interazione tiene insieme i quark a formare gli
adroni, la sua particella mediatrice è stata chiamata gluone
(dall’inglese "glue“ = colla).
Solo i quark e i gluoni hanno carica di colore.
Gli adroni (tra cui i protoni e i neutroni) e i leptoni sono neutri di
colore.
Per questo motivo, l'interazione forte agisce soltanto a livello di
quark.Ci sono 6 tipi di quark e 6 tipi di leptoni, ma tutta la materia stabile
dell'universo è composta dai quark up e down e dall’elettrone.
Perché?
L’interazione debole è responsabile del fatto che tutti i quark e
tutti i leptoni di massa maggiore decadono per produrre quark più
leggeri ed elettroni.
Una particella che decade sparisce, e al suo posto appaiono due o
più particelle.La somma delle masse delle particelle prodotte è sempre
inferiore alla massa della particella di partenza.
Questo è il motivo per cui la materia stabile che ci circonda
contiene solo elettroni e i quark più leggeri (up e down).
Quando un quark o un leptone cambia tipo (per esempio un muone
diventa un elettrone), si dice che cambia sapore.
Tutti i cambiamenti di sapore sono dovuti all'interazione debole.
Le particelle mediatrici dell'interazione debole sono i bosoni W+,
W-, Z.
Nel Modello Standard l’interazione elettromagnetica e quella
debole sono congiunte in un'interazione unificata,
chiamata elettrodebole.-1/3 2/3
V1: -1/3 = 2/3 -1
V2: -1 = -1 V1
V2-1/3 2/3
V1: -1/3 = 2/3 -1 V1
V2: -1 = -1
V2-1/3
V1: -1/3 = 2/3 -1 V1
-1/3
V2: -1 = -1/3 – 2/3
V2 -2/3
Cosa è violato in questo decadimento? Perché si osserva in natura?Tutte le interazioni in breve . . .
particelle
interazione mediatore agisce su
fondamentali
gravitazionale gravitone
leptoni (*)
debole W+,W-,Z°
elettromagnetica fotone
quark
forte gluone
(*) I leptoni neutri (i neutrini) non sono soggetti all’interazione elettromagneticaOltre il Modello Standard
Il Modello Standard risponde a molte domande sulla
struttura e l'equilibrio della materia.
Ma non è una teoria completa perché non è ancora in grado
di spiegare pienamente la natura del mondo.Perché ci sono tre generazioni di quark, e tre di leptoni?
I quark e i leptoni sono davvero fondamentali, o sono a loro volta
composti di particelle più elementari?
Perché il Modello Standard non è in grado di predire la massa di
una particella?
In base agli esperimenti, ci dovrebbero essere uguali quantità di
materia e antimateria nell'universo: allora perché, in base alle
osservazioni, l'universo risulta composto principalmente di
materia?
Come rientra la gravità nel Modello Standard ?
Sappiamo che nell'universo ci deve essere molta più materia di
quella che possiamo osservare. Questa invisibile materia oscura,
che cosa è?
Domande come queste spingono i fisici delle particelle a costruire
e adoperare acceleratori sempre più avanzati e più potenti, in
modo che collisioni ad un'energia ancora più alta possano fornire
indizi per risolvere i misteri.Il Modello Standard non riesce a spiegare perché alcune
particelle esistono così come sono.
Per esempio i fisici, pur conoscendo da anni le masse di
tutti i quark (tranne quella del top), non sono stati capaci di
predire con precisione la massa del top.
Hanno avuto bisogno dell'osservazione sperimentale,
perché il Modello Standard non ha un modello matematico
che spieghi le masse delle particelle.I generazione II generazione III generazione
e
LEPTONI
e
u c t
QUARK
d s b
Un altro problema aperto riguarda le cosiddette generazioni:
esistono 3 coppie di leptoni e 3 coppie di quark.
Ogni "serie" di queste particelle è una generazione (nel senso di
"famiglia"): ecco allora che i quark up e down sono la prima
generazione di quark, e l'elettrone e il neutrino-elettronico sono
la prima generazione di leptoni.
In condizioni ordinarie noi possiamo osservare solo particelle
della prima generazione (elettroni, neutrini-e, quark up e down).
Cosa ci stanno a fare le altre due generazioni nel mondo
naturale?Un'altra caratteristica fastidiosa del Modello Standard è che
molte interazioni fondamentali semplicemente non vengono
spiegate dalla teoria.
Per esempio, perché la particella W ha grande massa, e il fotone
nulla, se sono tutti e due mediatori di forza?
Perché si genera la massa delle particelle, e perché si
distribuisce così?
Bosone di HiggsDove e come lo produciamo?
Fusione gluone-gluone
Fusione dei Bosoni
Vettori (VBF)
Bremsstrahlung
di W /Z
Produzione associata
a quark pesanti (t/b)
NLO QCD
Il processo dominante e’ la fusione g-g, per MH< 2MZ il
processo VBF costituisce il 20% della sezione d’urto totaleIn realtà l’Higgs si presenta come …
Teoria
µ
µ
Evento, CMS
Evento, ATLAS
µ
µDove e come lo troviamo?
Dove e come lo hanno trovato!!!
Come si osserva la struttura più intima della materia? Le strutture visibili ad occhio nudo sono una percentuale minima di quelle esistenti! Per «risolvere» un oggetto di dimensione lineare L è necessario produrre un’onda con una lunghezza caratteristica λ < L
Acceleratori
Le unità di misura negli acceleratori
Un electron volt è una misura di energia: è l’energia cinetica
guadagnata da un elettrone che passa attraverso una differenza di
potenziale di un Volt.
Un Volt non è una misura di energia.
Un electron Volt è una misura di energia.
Un eV è un’energia molto piccola.
1 eV = 1.602 x 10-19 Joule
Unità di misura
dell’energia usate
negli acceleratori:
103 eV = 1 KeV
106 eV = 1 MeV
109 eV = 1 GeV
1012 eV = 1 TeVRelatività ristretta
Negli acceleratori le particelle arrivano a velocità prossime
a quelle della luce e bisogna utilizzare le formule della
relatività ristretta per studiare il loro comportamento.
Particella “relativistica”:
c 2.998 10 8 m / s vc
E0 m0 c 2 s ct
v 1 E v
, 1 1
c 1 2 E0 c
grande
E m0c 2 E0 Ek
E E0
E0,e m0,e c 2 0.511MeV Energia a riposo di un elettrone
E0, p m0, p c 2 938 .27 MeV Energia a riposo di un protoneRelatività ristretta
Se l’energia a riposo m0c2 è grande, la particella (o ione) è detto pesante
Le particelle pesanti necessitano di molta energia cinetica (Ec) per
diventare relativistiche.
Elettrone con Ec=100MeV: Protone con Ec=100MeV:
E0 0.51MeV E0 938 MeV
E E0 Ek 100 .51MeV E E0 Ek 1.038GeV
E E
196 1.107
E0 E0
1 1
1 0.999974 1 1 0.43
2
2
v c c v c 0.43 c
Relativistico Non relativisticoTipologie di acceleratori Scopo di un acceleratore è la produzione di fasci di particelle che abbiano una determinata energia e siano ben localizzate nello spazio. A seconda della traiettoria seguita dalle particelle si parlerà di Acceleratori Lineari Acceleratori Circolari Il funzionamento di essi si basa sull’utilizzo di CAMPI ELETTRICI che accelerano le particelle e CAMPI MAGNETICI che le deflettono.
* L’idea di B. Touschek:
Collisione di particelle e antiparticelle
E = m c2
Maggiore è l’energia,
più particelle si possono studiare…* L’idea di B. Touschek:
Collisione di particelle e antiparticelle
+
- e-
e+ e-
+ E 2me cc22
e+
-
E = m c2
Maggiore è l’energia,
più particelle si possono studiare…Un nuovo approccio:
usare fasci collidenti
Rivelatore
Bruno Touschek, Frascati, 1959
Anello di Accumulazione (AdA)
• Le particelle che non interagiscono, possono
essere riutilizzate al giro successivo
• Collisione nel centro di massa
• Le particelle circolanti possono essere sia
elementari che complesse (come nuclei o atomi).ADA & ADONE L’Anello Di Accumulazione ADA è stato il progenitore di tutti i collisori materia-antimateria. I primi elettroni e positroni furono accumulati il 27 Febbraio 1961. Dato il successo di ADA, si decise di costruire un nuovo collisore con energia ed intensità maggiori. Lo scopo era l’esplorazione di un nuovo regime energetico attraverso le collisioni di materia ed antimateria.
DAFNE Il complesso di DAFNE è formato da diversi elementi: 1. il LINAC 2. l’accumulatore 3. i due anelli principali 4. tre linee di luce di sincrotrone Attraverso la collisione di elettroni e positroni DAFNE produce mesoni f, che a loro volta decadono in mesoni K
Acceleratori per ricerca fondamentale
DR: Double storage ring
SR: Single storage ring
LC: Linear collider
Dall’idea geniale di Bruno
Touschek di far scontrare
particelle con antiparticelle
che, nella loro
annichilazione, avrebbero
rilasciato tutta la loro
energia per creare nuove
*
particelle.
[Handbook of Accelerator Physics and
Engineering, Ed. A. Chao and M. Tigner,
World Scientific]Un Rivelatore che conosciamo bene
... e abbiamo tutti: l’occhio
sorgente
bersaglio
rivelatore
L’occhio umano è un rivelatore di particelle: i fotoni
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 occhioNello stesso modo facendo rimbalzare particelle riusciamo
a capire molte caratteristiche del bersaglio
Noi «vediamo» la materia subatomica perché la colpiamo
con particelle prodotte dagli acceleratori che rimbalzano
sui rivelatori
Le particelle vengono usate come sonde della materiaVedere direttamente: osservazione diretta dell’oggetto da studiare Vedere indirettamente studio dell’oggetto attraverso i risultati di un esperimento
La firma…
? ? ? ?
? ? ?Vedere le particelle subatomiche
Ricostruzione delle particelle attraverso rivelatori, cioe’
strumenti specializzati che permettono di misurare i segnali
rilasciati al passaggio della particella in un mezzo
Emulsione fotograficaStruttura generale di uno
“spettrometro”Tracciatori e Calorimetri
Tracciatori:
usano gli urti atomici per campionare le
tracce delle particelle cariche. Se immersi
in un campo magnetico misurano la quantità di
moto (impulso) della particella
La particella esce dal rivelatore
non perturbata
Calorimetri Elettromagnetici:
usano il fenomeno dello sciame
elettromagnetico (causato dall’irraggiamento
e dalla produzione di coppie) per rivelare
elettroni e fotoni
Calorimetri Adronici:
usano gli urti nucleari per rivelare le
particelle adroniche (cariche e neutre)
La particella viene completamente assorbitaSciame elettromagnetico
Uno Sciame Elettromagnetico consiste in una cascata di produzione di
coppie da fotoni e Bremsstrhalung da elettroni, fino a quando le energie
degli elettroni raggiungono l’energia critica Ecrit, e i fotoni non sono più
irradiati da elettroni che continuano ad alimentare lo sciame.
Lunghezza Radiazione (X0) = lunghezza in cui
l’energia dell’elettrone (o fotone) è ridotta di 1/e:
X0 = 0.56cm (Pb); X0 = 42cm (Scint.); X0 = 1.2cm (EMCal)
Energia Critica (Ecrit) = E in cui la perdita
di energia per collisione uguaglia quella
per perdita per irraggiamento:
Ecrit(MeV) = 800/(Z+1.2)
Ecrit = 8 MeV (EMCal)
“Cattiva” schematizzazioneCalorimetri
Calorimetro
di CMS
Calorimetro
di ATLAS
Calorimetro
di KLOETracciatori Tracciatore
di CMS
Tracciatore
di LHCb
Tracciatore
di TOTEMCosa possiamo misurare? Energia Tempo Frequenza Impulso Posizione Tracce Massa Molteplicità
Misurare energia: formula di Bethe Bloch
Misurare la posizione: rivelatore a strip/pixel
Particle identification
via Time of Flight (TOF)
-
-
TOF può essere usato per
e-
misure di massa, energia o
impulse di una particella
(particle identification)Particle identification
via Drift Chamber (DC)
Possiamo identificare particelle tramite
carica, massa e impulso; possiamo
ricostruire vertici e decadimentiUn esempio pratico
K- + p --> L(1405)--> S++-
S(1385) p
p + 0
-
+
p
Un po’ di libri....
…e un altro po’ di libri....
Alessandro Scordo,
Liceo Cicerone, Frascati
21/12/2019A Cesare quel che è di Cesare
Alcune di queste slides sono frutto
del lavoro di:
Magari qualcuno di voi sarà
in grado un giorno di
andare oltre…. Catalina Curceanu (LNF)
Alessandra Fantoni (LNF)
…. e aprire la strada verso
Silvia Pisano (LNF & Centro Fermi)
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fisica! Michelangelo Mangano (CERN)Puoi anche leggere
