Facciamo un esperimento di fisica delle particelle
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Facciamo un esperimento di fisica delle particelle
- Perché studiamo la fisica delle particelle
- Particelle, forze, mediatori
- Il bosone Z0
- L’acceleratore LEP al CERN
- Come si riconoscono i bosoni Z0
- Un cenno al futuro
- Domande, domande ed ancora domande
Salvatore Mele – Istituto Nazionale Fisica Nucleare
Facciamo un esperimento di fisica delle particelle
- Perché studiamo la fisica delle particelle
- Particelle, forze, mediatori
- Il bosone Z0
- L’acceleratore LEP al CERN
- Come si riconoscono i bosoni Z0
- Un cenno al futuro
- Domande, domande ed ancora domande
Salvatore Mele – Istituto Nazionale Fisica Nucleare
Perché studiamo la fisica delle particelle?
Teoria : L’universo
comincio con un esplosione
dall’energia quasi infinita
Il Big Bang
• Tempo ≈ 10-43 secondi
• Energia ≈ 1019 GeV
• Temperatura ≈ 1032 K
L’Universo è simmetrico
Queste strane unità di misura
• 10-43 secondi =
0.0000000000000000000000000000000000000
000001 ( ) volte più
un milionesimo di miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo
corto che un battito di cuore
• 1032 K = 300000000000000000000000000000
( ) volte più caldo che in questa
trecento miliardi di miliardi di miliardi
stanza
• 1019 GeV = 50000000000000000000000000
( ) volte più energia che nella “presa
cinquanta milioni di miliardi di miliardi
della corrente”
In un corto periodo di tempo l’Universo cresce velocemente
Big
Bang 10-35 s 10-10 s 10-4 s 100 s 300000 anni 2006 d.C.
• Tempo ≈ 10-35 secondi
• Energia ≈ 1016 GeV
• Temperatura ≈ 1027 K
• L’Universo è grande
“solo” 1023 metri
• Confrontato alle
dimensioni attuali è
come fossero solo 3
metri
L’Universo continua a crescere e non è più simmetrico Big Bang 10-35 s 10-10 s 10-4 s 100 s 300000 anni 2006 d.C. • Tempo ≈ 10-10 secondi • Energia ≈ 102 GeV • Temperatura ≈ 1015 K •Quest’energia è la più alta mai ricreata in laboratorio •Oggi VOI studierete qualcosa che è stato creato a quest’energia: i bosoni Z
Appaiono i protoni ed i neutroni di cui siamo fatti
Big
Bang 10-35 s 10-10 s 10-4 s 100 s 300000 anni 2006 d.C.
• Tempo ≈ 10-4 secondi
• Energia ≈ 1 GeV
• Temperatura ≈ 1013 K
• L’Universo è grande
quanto il nostro
sistema solare !!
L’universo si raffredda: protoni e neutroni si legano
Big
Bang 10-35 s 10-10 s 10-4 s 100 s 300000 anni 2006 d.C.
• Tempo ≈ 100 secondi
• Energia ≈ 10-4 GeV
• Temperatura ≈ 109 K
• Si formano nuclei di
elio
• Questo processo
continua oggi nelle
stelle.
Si formano atomi leggeri … L’Universo diviene trasparente
Big
Bang 10-35 s 10-10 s 10-4 s 100 s 300000 anni 2006 d.C.
• Tempo ≈ 300000 anni
• Energia ≈ 10-9 GeV
• Temperatura ≈ 104 K
• La luce si propaga
senza essere
completamente
assorbita
• Si possono applicare le
teorie dell’astronomia
Nascita delle galassie ed atomi pesanti
Big
Bang 10-35 s 10-10 s 10-4 s 100 s 300000 anni 2006 d.C.
• Tempo ≈ 1 miliardo anni
• Energia ≈ zero
• Temperatura ≈ 18 K
(-255 gradi)
• Appaiono atomi pesanti,
come il ferro
• Invece che un disegno
artistico abbiamo una
fotografia dell’Universo
quando aveva solo un
miliardo di anni!!!Una fotografia del passato
Big
Bang 10-35 s 10-10 s 10-4 s 100 s 300000 anni 2006 d.C.
14 miliardi di anni
Hubble
1026 metri
La luce ci mette 14 miliardi di anni per fare 1026 metri!Oggi, il genere umano… che ha capito tutto questo
Big
Bang 10-35 s 10-10 s 10-4 s 100 s 300000 anni 2006 d.C.
• Tempo ≈ 15 miliardi anni
• Energia ≈ zero
• Temperatura ≈ 3 K
(-270 gradi)La storia dell’Universo dal Big Bang ad oggi
simmetria “caos”
Astronomia
Fisica delle particelle elementari (alte energie) Chimica
Biologia
Una sola teoria Diverse teorie e
che spiega tutto scienze per descrivere
la naturaTeoria ed esperimento: quanto abbiamo esplorato l’Universo?
simmetria “caos”
Energie troppo grandi Studiato in laboratorio!
Oggi!
Non possiamo
produrle in laboratorio Un’unica teoria descrive
• Raggi cosmici la Natura fino ~200 GeV :
• Estrapolazione
Il Modello StandardFacciamo un esperimento di fisica delle particelle
- Perché studiamo la fisica delle particelle
- Particelle, forze, mediatori
- Il bosone Z0
- L’acceleratore LEP al CERN
- Come si riconoscono i bosoni Z0
- Un cenno al futuro
- Domande, domande ed ancora domande
Salvatore Mele – Istituto Nazionale Fisica NucleareLa Fisica delle Particelle (Fisica Subnucleare, Fisica delle Alte Energie) studia i costituenti ultimi della materia
Ma questa è solo metà della storia… occorre
studiare le interazioni fra particelle, ovvero le
forze della NaturaCome si esercitano le forze tra particelle? Mediatore, bosone vettore, bosone intermedio
Quali sono i bosoni vettori e che forze mediano?
Forze e particelle del Modello Standard
(ovvero senza la gravità)Esiste una sola teoria per spiegare tutto l’Universo?
Limite sperimentale
odierno Elettromagnetica
Debole
Forte
GravitazionaleFacciamo un esperimento di fisica delle particelle
- Perché studiamo la fisica delle particelle
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- Il bosone Z0
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- Come si riconoscono i bosoni Z0
- Un cenno al futuro
- Domande, domande ed ancora domande
Salvatore Mele – Istituto Nazionale Fisica NucleareL’argomento di oggi: il bosone Z0
(Per gli amici, la Z)Perché la Z è importante?
Se si comprende il
comportamento del bosone Z, si
comprende l’interazione debole
(o meglio elettro-debole)…
simmetria “caos”
…e ci si avvicina al mistero di come l’Universo abbia
smesso di essere simmetricoPrincipio di indeterminazione di Heisenberg : ΔE x Δt >
h/2 per una particella pesante come una Z la vita media Δt è di
soli 10-25 secondi
La Z decade in ogni particella che senta l’interazione debole…
Z->particella+antiparticella
Tutte…!
…o quasi!
mt =175GeV
2mt=350GeV
mZ = 91GeV
Studiando I decadimenti della Z capiamo l’intensità
della forza debole!Rapporti di decadimento (=“Branching Ratios”) della Z
•Branching ratios = quanto spesso decade in una
certa coppia particella-antiparticella sul totale
•BR(Z-> μ+μ−) = Numero(Z-> μ+μ−) / Numero(Z)
Un’analogia: un secchio bucato
L’acqua può uscire dai diversi Z0
fori ed in diverse quantità a
seconda del diametro dei fori
νν
qq
e-
μ-
τ-
e+
μ+
τ+
Esercizio di oggi: misurare i Branching RatiosA che servono i Branching Ratios della Z?
>La teoria suggerisce che l’interazione debole è
la stessa per tutti i leptoni e quindi dovremmo
trovare BR(Z-> e+e-) = BR(Z-> μ+μ-) = BR(Z-> τ+τ-)
>La differenza tra BR(Z-> l+l-) e BR(Z-> qq) è una
quantità importante della teoria
>Di nuovo il secchio:
9 I neutrini non si vedono !
9 Sappiamo quante Z ci sono Z0
9 Contiamo tutto il resto
9 La differenza è BR(Z->νν)
νν
qq
e-
9 Ricaviamo il numero di ν
μ-
τ-
e+
μ+
τ+
(2.984 ± 0.008)Un po’ di storia: la teoria
• 1960-1967 L’idea che il bosone Z possa esistere (premio
Nobel 1979)
• 1972 Strumenti matematici per descrivere le interazioni
elettro-deboli (premio Nobel 1999)
… ma le teorie vanno verificate,
altrimenti non saremmo qui!Il fondatore della scienza moderna
Galileo Galilei 1564-1642CERN, 1982, la scoperta del bosone Z… Collisioni protone-antiprotone 630GeV
1984: premio Nobel a Rubbia e van der Meer
+139 autoriCinque “eventi” vanno bene per vincere un premio Nobel,
non per una misura di precisione dei “Branching Ratios” !
Idea: costruire un acceleratore di
elettroni e positroni per produrre milioni
e milioni di bosoni Z con e+e- ->Z: LEPFacciamo un esperimento di fisica delle particelle
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Salvatore Mele – Istituto Nazionale Fisica NucleareLo strumento scientifico più grande del mondo
Delphi
Opal
L3
AlephLo strumento scientifico più grande del mondo
Se il LEP fosse stato qui… Quanti sono 27 km?
Diametro tanto grande da sembrare lineare…
…e da spostarcisi in treno!
Uno dei quattro rivelatori: L3
Facciamo un esperimento di fisica delle particelle
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Salvatore Mele – Istituto Nazionale Fisica NucleareCome si rivelano i bosoni Z Lavoro da detective…seguire gli indizi per ricostruire quello che è successo
Useremo dati del rivelatore DELPHI resi
pubblici a scopo didatticoIl rivelatore DELPHI
Parte centrale “barrel”
Parte laterale, “endcap”I rivelatori sono fatti a cipolla
Vogliamo rivelare elettroni, muoni, tau e quarks
Vogliamo rivelare elettroni, muoni, tau e quarks
Z->e+e- :due tracce e due “clusters” nel
calorimetro elettromagneticoVogliamo rivelare elettroni, muoni, tau e quarks
Vogliamo rivelare elettroni, muoni, tau e quarks
Z->μ+μ- :due tracce, piccoli “clusters” nei calorimetri e “hits” nelle camere a mu
Come si rivelano i quarks?
Interazione forte, tanto
più forte tanto più due
quarks si allontanano!
Idea 1972, premio Nobel 2004
e+e- -> Z -> qq
risulta in circa 20 particelle
cariche (piu altri fotoni…):
un “jet” adronicoCome si rivelano gli adroni nei jets dei quarks?
Come si rivelano gli adroni nei jets dei quarks?
Z->qq: molti adroni in due jets e quindi molte tracce e molti “clusters” nei calorimetri
Ci restano “solo” i τ…
I τ decadono, ricordate ΔE x Δt >
h/2π ?! me = 0.005GeV, mμ=0.1GeV,
mτ=1.8GeV τ−>e+ν+ν, τ−>μ+ν+ν, τ−>ν+adroni
Quindi Z−>ττ può dare
e+e+neutrini, e+μ+neutrini, μ+μ+neutrini
e+adroni+neutrini, μ+adroni+neutrini
Eventi con poche tracce ed “energia
mancante”: i neutrini non si vedono!Esempio Z−>τ τ
+ − e+adroni+neutriniFacciamo un esperimento di fisica delle particelle
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Salvatore Mele – Istituto Nazionale Fisica NucleareLEP spento il 3/11/2000 Acceleratore e rivelatori rimossi per fare spazio a…
La prossima frontiera in fisica delle alte energie: LHC
simmetria “caos”
Energie non esplorate Studiato in laboratorio!
Oggi!
LHC nel 2007-2020 esplorerà
l’energia per cui l’Universo ha Un’unica teoria descrive
smesso di essere simmetrico la Natura fino ~200 GeV :
e la materia è diventata
diversa dall’antimateria: punto
cruciale per capire come
Il Modello Standard
funzioni l’UniversoLHC: la prossima frontiera
ATLAS
CMS
Un acceleratore di protoni da
14TeV(=14000GeV) nel tunnel di LEP
Costruzione 2000-2007Progetto, anni ‘90
ATLASLo scavo di due immense caverne per gli esperimenti
Fotografia ~2004Fotografia fatta il giorno delle Masterclass 2005
Fotografia fatta il giorno delle Masterclass 2006
Stiamo capendo le forze tra le particelle… ma non sappiamo
perché hanno la massa che hanno!
Queste differenze sono
spiegate con l’interazione
tra le particelle ed un altro
bosone, il bosone di Higgs
LHC svelerà il mistero dell’origine della massa: il bosone di
Higgs, che non è ancora stato osservato, dovrebbe
nascondersi proprio attorno a 100-1000GeV
Limite sperimentale
odiernoLHC potrebbe fare un passo verso la “Grande Unificazione”
trovando gli “Squarks”. Particelle “Supersimmetriche”
“ombra” delle particelle che conosciamo, predette da una
teoria chiamata SUSY (SUperSymmetry)
Limite sperimentale
odiernoNegli ultimi anni abbiamo scoperto che 95% dell’Universo è composto di
cose che non capiamo: materia oscura ed energia oscura
LHC potrebbe trovare delle nuove particelle che spieghino
cosa sia la dark matter e forse la dark energy!
Limite sperimentale
odiernoFacciamo un esperimento di fisica delle particelle
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- Domande, domande ed ancora domande
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