Large Hadron Collider - La circonferenza più lunga del mondo Andrea Negri e Daniela Rebuzzi - Dipartimento di Fisica
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Large Hadron Collider
La circonferenza più lunga del mondo
Andrea Negri e Daniela Rebuzzi
Università di Pavia e INFN, Sezione di Pavia
Giornata Internazionale del Pi Greco
Pavia - 14 marzo 2018
Interrogativi Fondamentali
Perché l’Universo ci appare così
come lo vediamo ora? Come le entità e le interazioni
fondamentali determinano le proprietà
dell’Universo come lo vediamo ora?
Quale é la nostra origine e il nostro destino?
Se esistono leggi fondamentali,
Come interagiscono fra loro le
possiamo comprenderle?
entità fondamentali?
Esistono delle leggi veramente Universali?
Esistono delle entità elementari? Se si, quali?
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2
Come procede la fisica?
1. Ricerca della struttura matematica nascosta nella Natura
2. Riduzionismo, cioè la ricerca di cosa è elementare e cosa è composto
3. Ricerca di Principi Primi e Unificazioni
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3
La Storia del nostro Universo
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4
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5
La materia: quark e leptoni
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6
La materia: quark e leptoni
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7
Forza elettromagnetica: il fotone
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8
Forza nucleare forte: il gluone
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9
Forza nucleare debole: W e Z
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10Il Modello Standard Text fermioni bosoni 11
La forza di gravità Text fermioni bosoni 12
Dai mattoni fondamentali..
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13ll Modello Standard: equazione
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14Il Modello Standard
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15Alhambra, Granada
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16Simmetria ed eleganza
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17Simmetria ed eleganza
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18Simmetria ed eleganza
• Alla base delle equazioni della fisica c’é la simmetria
- Trasformazione che lascia invariato un oggetto
riflessione traslazione spaziale o temporale rotazione
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19Macchina per teorie
• I fisici teorici hanno sviluppato strumenti matematici che
trasformano le simmetrie in equazioni, con le quali
fare previsioni verificabili
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20Macchina per teorie
• Relatività generale
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21Simmetria del Modello Standard
• Simmetria del Modello Standard:
descrive tutte le particelle ma con massa
nulla...
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22Simmetria del Modello Standard
• Occorre un nuovo ingrediente che rompa la
simmetria, consentendo alle particelle
elementari di acquisire massa → il campo di
Higgs
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23Idea: Il Meccanismo di Higgs
[P. Higgs, R. Brout, F. Englert, 1964 - S. L. Glashow, A. Salam e S. Weinberg, 1979]
Particella
Massiva
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24Il Meccanismo di Higgs
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25Rottura della Simmetria Elettrodebole
Questa interazione avviene a partire da una data energia (istante
nella storia dell’Universo) rompendo la simmetria
elettrodebole
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26Il Meccanismo di Higgs
gs
ig
i H
d
m o
is
a n
c c
e
M
Forza
elettrodebole Forza elettrica
Particelle a Forza debole
massa nulla Particelle massive
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- Le particelle acquistano massa sotto una data energia dell’Universo
- E compare una particella aggiuntiva...
27Il Bosone di Higgs
Bosone di
Higgs
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28La Scoperta del Bosone di Higgs: 4.7.2012
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2948 anni
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3048 anni
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31Large Hadron Collider (LHC)
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32Large Hadron Collider (LHC)
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33Come funziona LHC?
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34Le collisioni
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35ATLAS, esperimento ad LHC
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36ATLAS
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37ATLAS
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38Il ciclo della ricerca
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39L’albero della conoscenza
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40Ricadute sulla società
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41Ad esempio..
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42Ad esempio..
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43Il Modello Standard completo
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Ma sappiamo già che deve essere esteso..
44E Adesso?
Il Modello Standard, terribilmente incompleto..
I quark sono veramente particelle Esistono i quanti dell’interazione gravitazionale?
elementari?
Come acquisiscomo
massa i neutrini?
Dove é finita
l’antimateria?
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Il Modello Standard é stabile fino alla scala Esiste una unificazione delle forze, una
di Planck? Teoria del Tutto?
45The dark side of the Universe
È una situazione alquanto imbarazzante dover ammettere che non
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riusciamo a trovare il 96% dell'Universo. [Bruce H. Margon]
46Torniamo agli Interrogativi Fondamentali
Si può comprendere il mondo senza gli
dei?
La Terra è rotonda o piatta? E chi la Perché l’Universo ci appare così
sostiene nel cielo? Galleggia nello spazio o come lo vediamo ora?
sospesa nel nulla?
a m Quale é la nostra origine e il
Quale é la nostra origine e il nostro destino? ni ? nostro destino?
o t o
Ciò che mi viene insegnato
p no Come interagiscono fra loro le
è confutabile? i
c ’ ig entità fondamentali?
Da dove viene e l Se esistono leggi fondamentali,
l’acqua piovana?
o m s o possiamo comprenderle?
C e r
Esistono delle leggi
v veramente Universali?
Come le entità e le interazioni fondamentali
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determinano le proprietà dell’Universo come
2600 anni lo vediamo ora?
47Il metodo scientifico
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48Galileo
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49Le radici
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50Le radici
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51Anassimandro (VI secolo p.e.v.)
• Rifiuto delle verita precostituite
✓ Dubitare di ciò che è creduto vero da tutti
• Andare oltre il maestro
✓ Studiarne i risultati e trovarne gli errori
• Spiegare i fatti del mondo in termini
delle cose del mondo
• Idea cardine della scienza moderna
✓ Per spiegare i fenomeni naturali, ipotizzare qualcosa
che è allo stesso tempo naturale ma al di fuori della
nostra esperienza sensoriale
✓ Esempio: quark, bosone di Higgs
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52Il Concetto di Campo
Newton Spazio Tempo Particelle
Faraday-Maxwell Spazio Tempo Campi Particelle
Einstein 1905 Spaziotempo Campi Particelle
Einstein 1915 Campi Particelle
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E’ il senso comune che va modificato
53Il lato oscuro..
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54Materia oscura e energia oscura
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55La massa mancante
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56Dark Matter
• Interagisce solo attraverso la forza gravitazionale
• Permea lo spazio
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57Text
58Materia oscura e energia oscura
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59Conclusioni: la fonte del dubbio
•La conoscenza scientifica è globalmente
globale, provvisoria, evolutiva
•Nelle rivoluzioni scientifiche cambia ciò che
nessuno si aspettava potesse cambiare
- Spesso non solo soluzioni nuove a problemi noti, ma la scoperta
che i problemi erano malposti
“Science is the belief in the ignorance of
experts.” [Richard Feynman]
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60Backup slides
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61Costi
LHC: 5 Miliardi di CHF - 3 miliardi di €
guerra in Iraq: 3000 miliardi di $, circa 2000 miliardi di €
(fonte: Washington Post )
Armi vendute nel 2006 da Finmeccanica: 12 miliardi di €
Prodotti Louis Vuitton, 2007: circa 14 miliardi di €
Spese per animali domestici in Italia: 1,7 miliardi di €
Campionati di calcio inglese, italiano, tedesco, spagnolo e
francese per il 2008/2009: 7,6 miliardi di €
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62Le Interazioni Fondamentali
Debole
Elettromagnetica Forte
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Higgs (Yukawa)
63La Simmetria nel MS
L’esistenza di una simmetria, di una trasformazione sotto la quale un sistema rimane
invariante, è molto importante in fisica → la presenza di una trasformazione di simmetria
nasconde sempre una quantità che si conserva (teorema di Nöther)
Nel MS anche l’esistenza di forze viene ricondotta ad una invarianza sotto trasformazioni
di simmetria (dette trasformazioni di gauge locali)
Sistema
Applico una rotazione Applico rotazioni locale Torno nello stato iniziale se e
globale →invarianza indipendenti→ il sistema cambia solo se ci sono forze interne
Impongo una simmetria locale ⇒ compare la forza
La simmetria è cruciale anche relativamente alle masse alle particelle nel MS → le
particelle elementari godono di una simmetria particolare (detta simmetria di gauge),
fondamentale per la stabilità del MS, per la quale ognuna di essa è priva di massa
L’acquisizione
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della massa avviene nel MS tramite l’interazione con un campo esterno,
il campo di Higgs
64Simmetria: meccanica quantistica
• Simmetrie più astratte: ad esempio, presupporre che le
leggi della fisica rimangano invariate per cambi arbitrari delle
fasi delle funzione d'onda del sistema in ogni punto dello
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65Macchina per teorie
• Relatività ristretta
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66Richard Feynman
“La scienza racchiude
in se stessa il monito
sul pericolo costituito
dalla fede
nell’infallibilità dei piu
grandi maestri della
generazione
precedente.”
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67Puoi anche leggere
