Il ruolo delle scienziate nella realizzazione del progetto - Il Large Hadron Collider del CERN: un viaggio dal microcosmo all'universo
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Il Large Hadron Collider del CERN:
un viaggio dal microcosmo all’universo
Il ruolo delle scienziate nella realizzazione del progetto
M. Diemoz -INFN Roma
Qualche dato sulle ricercatrici Le ricercatrici sono circa il 10% della popolazione che lavora al progetto LHC e vengono da tutte le parti del mondo. Se guardiamo la componente italiana questa % sale a circa il 20%. M. Diemoz -INFN Roma
Al Quirinale!
Le scienziate italiane hanno dunque un ruolo importante
nel progetto LHC
Ma di che si tratta? Cosa è la fisica delle particelle
(o Alte Energie)?
M. Diemoz -INFN Roma
Di cosa si occupa la fisica delle
particelle elementari?
• Dello studio dei costituenti fondamentali della materia
e delle loro interazioni
• Delle relazioni tra energia, materia, spazio e tempo
• Delle simmetrie e delle leggi che governano l'Universo
e la sua evoluzione
In sintesi cerca di capire i principi in base ai quali la natura
(particelle,nuclei, atomi, rocce e stelle) sono così come sono
M. Diemoz -INFN Roma
Alcune domande fondamentali
• Qual è la struttura ultima della materia ?
• Quali sono le forze fondamentali attraverso cui la materia
interagisce?
• Qual è l’origine della massa ?
• Quali sono le simmetrie dell’universo ?
• Come è nato il nostro universo ?
• Cosa è la materia che sappiamo esserci nell’universo ma
che non vediamo?
• Dov’ è finita l’antimateria ?
M. Diemoz -INFN Roma
Le risposte dagli esperimenti di “alte
energie”
LHC @ CERN
SLAC
Lab.N.Frascati
Lab.N.GranSasso ISS
M. Diemoz -INFN Roma
Qual è la natura della materia?
tutte le cose sono composte
da piccole particelle indivisibili poiché protoni e neutroni sono
e vuoto (V secolo a.c.) fatti di quark, tutte le cose sono
composte da quark, elettroni
e vuoto. (oggi)
tutte le cose sono composte
da protoni, neutroni, elettroni
e vuoto. (1935)
La ricerca moderna cerca di rispondere ad una domanda
che l’uomo si pone da tempo immemorabile.
M. Diemoz -INFN Roma
Il metro della natura
Dimensioni dell’Universo 1028 cm
1028 = dieci miliardi di miliardi di miliardi
Dimensioni di una Galassia 1023 cm
Distanza Terra-Sole 1013 cm
Diametro della Terra 109 cm
Dimensioni di un uomo 102 cm
Distanza minima visibile 10-2 cm
(se avete buona vista)
Dimensioni di un Atomo 10-8 cm
Dimensioni di un Nucleo 10-13 cm
I fisici delle particelle si occupano
di questa regione
M. Diemoz -INFN Roma
Perché alte energie?
λ=c/ν Perché vediamo gli oggetti?
d λ>>d l’onda “ignora l’oggetto”
(immaginate uno piccolo scoglio
λ∼d in mezzo al mare e un onda lunga...
l’acqua non si increspa!)
luce visibile: 400 ≤ λ ≤ 750 nm (1 nm = 10-9 m un miliardesimo di metro)
un microscopio ottico non può distinguere
oggetti di dimensione inferiore a ∼ 1µm
M. Diemoz -INFN Roma
Perché alte energie?
la luce si comporta anche come
un insieme di corpuscoli di energia
E = hν
FATTI SPERIMENTALI
h è la costante di Plank, una delle le particelle si comportano
costanti fondamentali in natura: anche come onde di frequenza
h = 6.62 • 10-27 erg • s ν = E/h
per le particelle: λ= hc/E se E cresce λ diminuisce
Per esplorare l’infinitamente piccolo
E deve diventare molto grande
M. Diemoz -INFN RomaPiccolo e oltre
Con il microscopio elettronico
possiamo vedere i singoli atomi!!!!
Ma attenzione!
Le particelle si comportano Cu
sia come onde che come corpuscoli!
Non obbediscono alle leggi della Cl
meccanica classica!
Il loro linguaggio è la Meccanica Quantistica Relativistica
M. Diemoz -INFN RomaAlla ricerca dei mattoni fondamentali e
delle forze attraverso cui interagiscono
Gli esperimenti di “alte energie”
La collisione tra particelle con energie molto grandi permette
di ricreare in laboratorio i costituenti fondamentali presenti
nelle prime ore dell’Universo ma che non esistono più nella
materia ordinaria e di studiarne le interazioni
M. Diemoz -INFN RomaCome si accelerano e si fanno collidere?
Campo elettrico: Campo magnetico:
accelera. curva
Come si accelerano le particelle?
Per accelerare una particella carica bisogna farla
passare attraverso un campo elettrico.
Per mantenerla nell’acceleratore bisogna
guidarla a seguire una traiettoria mediante campi
magnetici
M. Diemoz -INFN RomaCome si creano? Come si osservano?
IMPRONTE!
E=mc2 (c=3•108 m/s) Energia concentrata in un piccolo volume
M. Diemoz -INFN Roma
massa = particelleLe impronte ci dicono chi è passato!
uomo sulla sabbia
sub in acqua
lepre sulla neve
sci sulla neve
moto nel fango
M. Diemoz -INFN RomaLe particelle lasciano impronte!
elettrone nel piombo
muoni in gas
muoni in acqua
pione nel ferro
M. Diemoz -INFN Roma
J.P. WellischUn grande laboratorio europeo: il CERN Nel 1954 12 paesi europei tra cui l’Italia costituiscono il CERN (organizzazione europea per la ricerca nucleare), sul confine fra Francia e Svizzera vicino Ginevra NO PROFIT M. Diemoz -INFN Roma
Il Large Hadron Collider (LHC)
Si chiama LHC (Large Hadron Collider) il nuovo acceleratore del
CERN inaugurato ad Ottobre 2008
7 Tev 7 Tev
LHC
C = 27 km
M. Diemoz -INFN RomaIl Large Hadron Collider (LHC)
• l'acceleratore di particelle più potente al mondo
• lo strumento scientifico più grande che l'uomo abbia mai
costruito.
Large
lungo 27 km... è più piccolo quindi del
Raccordo Anulare, ma non di tanto.
Hadron
le particelle che circolano
nell'acceleratore sono protoni
Collider
l'acceleratore funziona facendo
circolare particelle in entrambi i sensi
di marcia e facendole quindi scontrare
(collidere) dopo che sono state
accelerate. 1 TeV = 1.6x10-7 Joule
Con 1 Joule si solleva 1kg a 10 cm da terra
M. Diemoz -INFN RomaE 4 esperimenti (rivelatori di impronte!)
ATLAS
CMS
M. Diemoz -INFN Roma LHCbFar collidere protoni è pericoloso???
Alcuni allarmi a proposito di pericolosissimi buchi neri!!!
L’energia di un singolo protone accelerato
corrisponde alla energia cinetica di una
pericolosissima zanzara che vola
Il mondo è, dalla sua creazione,
bombardato da raggi cosmici, anche molto
energetici. Di raggi cosmici, capaci di fare
interazioni tipiche di LHC, ne abbiamo
“ricevuti” un numero equivalente a quello
che succederebbe in 15.000.000 di anni di
funzionamento di LHC……..
M. Diemoz -INFN RomaLa materia stabile
Con questo tipo di ricerca abbiamo scoperto:
Molecole
10-10 m -16
Protoni
10 m
Neutroni
Atomi
-15 < < 10-18 m
10 m
?
Nucleo Quark up
Quark down
M. Diemoz -INFN RomaE quella instabile o quasi...
Mu µ− Tau τ+
Leptoni
Neutrini ν0
π0 π+
Decine di particelle
Mesoni Strani
Adroni Ξ−
Ξ0 Iperoni Λ0 Fascinosi
Σ0 Σ+
Belli riconducibili ad uno schema
semplice!!!
E le loro antiparticelle... Identiche ma di cariche opposte
M. Diemoz -INFN RomaCosa sappiamo sulla materia
(stabile e non)
u c t νe νµ ντ
1976 1995 1956 1963
d s b e µ τ
1947 1978 1895 1936 1973
sei quark sei leptoni
•la materia “di tutti i giorni” contiene 2 quark (up e down) e l’elettrone
•altri quark e leptoni sono stati osservati, in totale sono sei di ogni tipo
•tutte le particelle hanno un’antiparticella
•quando l’energia si trasforma in massa si producono tante particelle
quante antiparticelle
M. Diemoz -INFN RomaCosa tiene tutto insieme?!
LE FORZE
Interazione tra due particelle di materia es. elettroni A e B
campo di materia
Interazione prodotta dallo scambio di
particelle ‘messaggere’ o ‘mediatrici’
Feynman campo di forza
B emette continuamente mediatori
dell’interazione elettromagnetica, i fotoni
L’elettrone A assorbe il fotone ‘mediatore’ campo di materia tempo
e rincula (forza repulsiva tra gli elettroni).
N.B. La teoria quantistica dei campi permette anche l’attrazione
Spiega la differenza
tra le forze osservate:
diverse particelle
mediatrici!
Lo scambio di particelle è responsabile della forza
M. Diemoz -INFN RomaLe forze fondamentali (per la nostra vita)
• Gravitazionale • Debole
La forza debole è
alla base della
combustione dell’
idrogeno nelle stelle
• Elettromagnetica
• Forte
M. Diemoz -INFN RomaLe forze fondamentali
ALTRE PARTICELLE!
forza relativa
Gravitone 10-38
Le particelle mediatrici: Bosoni W e Z 10-5
Fotone γ 10-2
Gluone g (8) 1
Il rapporto tra forza forte e gravitazionale
che agiscono tra due protoni è ∼ 10-38
Possono tali forze avere un’unica origine?
Le interazioni sono originate da simmetrie fondamentali.
In origine la stessa simmetria che si e' poi diversificata?
M. Diemoz -INFN RomaIl ruolo delle simmetrie
Cosa è una simmetria?
Una cosa è simmetrica se è possibile cambiare in essa qualcosa
lasciandone immutato l’aspetto (H. Weyl, matematico tedesco)
Le leggi fisiche sono simmetriche se ci sono delle cose che possiamo
fare ad esse, o al nostro modo di rappresentarle, che non producono
nessuna differenza e lasciano tutto invariato nei suoi effetti
Le simmetrie in natura ci permettono di fare previsioni
La natura “ama” le simmetrie, ma "ama" anche “violarle”
così che la loro identificazione non è mai triviale
M. Diemoz -INFN RomaSimmetrie
Nella pittura reale la Simmetria è "rotta“
Simmetria = capacità di predire e il risultato meraviglioso!
M. Diemoz -INFN RomaSimmetrie in fisica delle particelle
Il fatto che gli adroni protone, neutrone, particelle strane siano
fatte di quark di masse differenti spiega sia le simmetrie osservate
che il modo in cui sono violate. L’ Osservazione di queste simmetrie
ha portato a ipotizzare l’esistenza dei quark.
Il modello a quark ha avuto una infinità di conferme sperimentali
(almeno fino ad oggi...).
P u u d
u e questo basta a comporre la
+ e Ma
N d d u d νe natura di cui facciamo parte
c µ− t τ− Analoghe strutture piu'pesanti:
s νµ b ντ famiglie o generazioni
CHE COSA E'
A CHE SERVONO LE REPLICHE?
LA MASSA?
M. Diemoz -INFN RomaHIGGS: l'origine della massa
Un'idea c'e': un campo di Higgs permea l'universo e la massa e' una misura della
resistenza al moto attraverso questo campo
Una stanza piena di fisici che chiaccherano Un famoso scienziato entra creando una Questo aumenta la resistenza al moto, cioe'
calmi e' come lo spazio permeato dal campo perturbazione man mano che penetra nella lo scienziato acquista massa proprio come una
di Higgs stanza attirando nugoli di ammiratori particella che si muove nel campo di Higgs
Questa particella e'
necessaria perche' la
teoria rappresenti la
natura...
Puo' capitare che un rumore attraversi Questo crea un addensamento analogo al
la stanza... precedente che pero' avviene solo tra scienziati.
M. Diemoz -INFN Roma Cio' corrisponde alla particella di Higgs.E noi la cerchiamo! E cherchiamo anche
altro!
CMS
H → 4µ, MH = 150 GeV
CERN
LHC pp a 14 TeV
M. Diemoz -INFN RomaAll'indietro nel tempo verso l'origine
Ambiziosi: possiamo studiare gli stati iniziali dell’Universo
riproducendo in laboratorio le densità di energia corrispondenti
ricostruire la genesi e Large Hadron Collider
studiare l’evoluzione andrà vicino all’origine:
dell’ universo t=10-12s !!!!!!!
M. Diemoz -INFN Roma d∼10-15 m ➨ d∼10+26 mVerso l’origine dell’
dell’Universo
106 1
1 99 9 15
1599 anni
-1015*10 anni
9 anni
3 min
t=0 1
10 sec
- 10 sec
NOI
NOI
NOI
protoni
atomi
neutroni stelle
atomi un po’
po’
semplicipianeti
He
STELLE
STELLE PIANETI
PIANETI
A. Cattai
M. Diemoz -INFN- Physics
Roma dep - complessi…
complessi… polvereVerso l’origine dell’
dell’Universo
E
t=0
E
Z q Wq
γ
E
Tanto tempo fa, tanta energia concentrata,
particelle che oggi non vediamo e non conosciamo
E
morivano e si creavano normalmente determinando
ciò che vediamo
A. Cattai
M. Diemoz -INFN Romaoggi
- Physics dep -La materia oscura
La materia identificata (H, He…)
rappresenta circa il 4% della
della massa dell’Universo
Le osservazioni astronomiche
possono ricostruire la distribuzione
di questa “materia oscura” ma non
identificarne la natura
Di cosa è fatta la Materia Oscura?
M. Diemoz -INFN RomaDove sono i pezzi mancanti???
Qual è il motore della ricerca?
La curiosità umana…
Ma spesso una più profonda comprensione della natura
si traduce in sviluppi pratici di grande utilità
Ricerca Tecnologia
M. Diemoz -INFN RomaLa ricerca "spinge" la tecnologia
I dati trasmessi in 1 secondo di funzionamento di LHC equivalgono alla
informazione scambiata da Telecom mondiale (100 milioni di telefonate) !!!
LHC necessita di qualcosa di più che una semplice trasmissione dati
M. Diemoz -INFN RomaCalorimetri a cristalli: PET
Sostanze emettitrici di positroni, legate a zuccheri,
vengono assorbite in modo selettivo dai tessuti.
I rivelatori a matrice di cristalli permettono di
individuarne la posizione con estrema precisione
Emettitore di
positroni
γ
e+
e-
γ
M. Diemoz -INFN RomaWWW
WORLD WIDE WEB
Nel 1990 T.Berners Lee che lavorava
al CERN ha inventato WWW: questo
sistema e’ stato originalmente concepito
per uno scambio istantaneo di informazioni
tra ricercatori di differenti Laboratori
e Universita’ impegnati negli stessi
progetti scientifici
OGGI HA MILIONI DI UTILIZZATORI
SCIENTIFICI E COMMERCIALI IN TUTTO
IL MONDO
M. Diemoz -INFN Roma1994: WWW sarà utile?
CERN:
M. Diemoz where
A. Cattai
-INFN- Physics the
Roma dep - WWW was bornE le scienziate in Italia (meglio che altrove)?
Università italiana:
componente femminile
costituisce il 33.2% del
corpo docente.
Con il progredire della
carriera la % femminile
crolla! In tutti i settori
ma la fisica è speciale!
M. Diemoz -INFN RomaE nel settore specifico?
Non va meglio nell’ INFN che si occupa della fisica
delle particelle e quindi del progetto LHC
Non si spiega solo con la maternità e gli
impegni della famiglia…
Ma non sarà un “mestiere da uomo”?
Gli uomini sono “più bravi” in questo mestiere?
M. Diemoz -INFN RomaE’ un mestiere da uomo?
Scrivere cose strane alla lavagna
Pensare
M. Diemoz -INFN Roma Usare un utensileE’ un mestiere da uomo?
Lavorare su di un
“raccogli ciliegie”
Usare uno strumento di
misura 100 m sottoterra
L’elettricità! Ahi!
M. Diemoz -INFN RomaE allora?....
Pregiudizi (che hanno anche le donne su di sé) …
Vi turba salire su un aereo pilotato da una donna?
La curiosità è il motore dell’indagine scientifica
E’ entusiasmante provare a risolvere il “giallo della natura”
Domandarsi: “ma come funziona”?!
Miss. Marple era una signora!
Ma una donna per fare carriera deve lavorare il doppio…
Non sarà che chi ha il potere se lo tiene?
M. Diemoz -INFN RomaIn conclusione
Ciò che facciamo ad LHC è ricerca pura:
ha a che fare con la nostra
origine e
prima o poi produce risultati utili
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