LHC e lo stato attuale della Fisica delle Particelle - Ennio Salvioni Liceo "Montale", 19 Maggio 2009
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LHC e lo stato attuale della
Fisica delle Particelle
Ennio Salvioni
Liceo “Montale”, 19 Maggio 2009
CERN e LHC Il CERN (Organizzazione Europea per la Ricerca Nucleare) è stato fondato nel 1954. Oggi, ne sono Membri 20 stati europei, tra cui l’Italia. Ha sede a Ginevra, in Svizzera. Gli esperimenti del CERN hanno profondamente influenzato lo sviluppo della fisica delle particelle nell’ultimo mezzo secolo. L’esempio più celebre è quello della scoperta, avvenuta nel 1983, dei bosoni vettori dell’interazione debole W r , Z grazie al collisore protone-antiprotone SPS.
CERN e LHC Nel 1984, i fisici C.Rubbia e S. Van der Meer hanno ottenuto il Premio Nobel per la Fisica per questa fondamentale scoperta. Oggi, l’acceleratore di punta del CERN è LHC, un collisore protone-protone lungo 27 km, e interamente costruito sotto terra, in un tunnel scavato nei pressi di Ginevra.
LHC: a Large Hadron Collider Cos’è un collisore? E’ un acceleratore in cui due fasci di particelle vengono fatti scontrare frontalmente. Possono essere lineari, o circolari. La prossima immagine dovrebbe chiarire la forma di LHC…
LHC al CERN, Ginevra
Storia recente di LHC 10 Settembre 2008: il primo fascio di protoni ha percorso LHC. 19 Settembre 2008: un problema elettrico ha causato un incidente nel tunnel, danneggiando 53 magneti super- conduttori e costringendo ad arrestare le operazioni per alcuni mesi. 30 Aprile 2009: l’ultimo magnete riparato è stato reinstallato, ed è previsto che l’acceleratore riparta nel prossimo Settembre, continuando a funzionare per tutto l’inverno e oltre, finchè i primi dati di “nuova fisica” saranno stati raccolti.
LHC: a Large Hadron Collider Cos’è un adrone? Una particella soggetta alle interazioni forti: nel caso di LHC, un protone. Le interazioni fondamentali sono 4: – Gravitazionale – Elettromagnetica – Debole – Forte.
Le Interazioni Fondamentali Solo le prime due si manifestano a livello macroscopico, mentre le interazioni debole e forte si fanno sentire a livello nucleare o subnucleare. Le interazioni deboli, EM, forti sono descritte a livello microscopico da una teoria coerente (una Teoria di campo quantistica-relativistica) che i fisici chiamano confidenzialmente Modello Standard.
Il Modello Standard Oltre a quelle mostrate sopra (fermioni), ci sono i mediatori delle interazioni (bosoni): fotone (EM), gluoni (int. forte), W r , Z (int. debole), e infine il bosone di Higgs. Tutte le particelle che compongono il Modello Standard sono state osservate, tranne una: l’Higgs.
La gravità Invece, nonostante molti sforzi, non si è ancora riusciti a trovare una coerente descrizione quantistica della gravità, e a unificarla con le altre interazioni. LHC potrebbe dare delle indicazioni in questo senso – ad esempio, i dati potrebbero dare segnali incoraggianti per le Teorie di Stringa, il candidato più promettente per la completa unificazione delle interazioni.
Riassunto
L’acceleratore
LHC è un collisore protone-protone; la
massima energia raggiunta sarà di 7 TeV per
fascio. Quanto vale un TeV ?
12 12 19
1TeV 10 eV # 10 u1.6 u10 J
…così dice poco! Usiamo l’equivalenza tra
massa e energia:Equivalenza massa-energia
2 E
E mc Ÿ m 2
c
allora la massa del protone è circa
GeV
1 2
c
2
Quindi: 7 TeV | 7000 m P cL’acceleratore
v
7 TeV Æ 0 . 999999991
c
dove c è la velocità della luce.
E’ la più alta energia mai raggiunta in un
esperimento costruito dall’uomo.
Alla massima energia, un protone ci mette
circa 0.1 millisecondi a fare un giro completo.Alte Energie
Vogliamo accelerare particelle cariche fino
alle più alte energie possibili: se abbiamo una
circonferenza di raggio R e un campo magnetico
B, allora vale
p 0 . 3 BR
(p è la quantità di moto della particella), e quindi
dobbiamo aumentare il più possibile R e B.
• R è circa 27 km
• B raggiunge circa 8 TeslaCome funziona? Schematicamente: • I protoni vengono immessi in circolo in LHC a “bassa” energia, 450 GeV. • Vengono accelerati da campi elettrici variabili nel tempo (perché?), e nel frattempo il campo magnetico B aumenta (ricordate che R è fisso, ovviamente!). • Dopo moltissimi giri, i protoni raggiungono finalmente la massima energia di 7 TeV.
Il tunnel
Collisioni
In 4 punti lungo l’anello, i fasci di protoni che
circolano in senso opposto vengono fatti
collidere.
In ciascuno di questi quattro punti è installato
un esperimento:
ALICE, ATLAS, CMS, LHCbGli esperimenti • ATLAS e CMS sono rivelatori enormi e general-purpose, costruiti per rivelare quanta più fisica possibile. • ALICE e LHCb invece sono più piccoli, e sono pensati per ricercare alcuni aspetti precisi della fisica delle alte energie.
CMS
Compact Muon Solenoid :
Rivelatore a struttura cilindrica, caratterizzato da un
magnete (solenoide) superconduttore di dimensioni
enormi, che permette di ottenere campi magnetici
fino a 4 Tesla.
Dimensioni del rivelatore:
• Diametro 15 m
• Lunghezza 21.5 m
• Peso 12500 TVista di CMS
CMS
Il magnete
Transverse slice through CMS detector
Click on a particle type to visualise that particle in CMS
Press “escape” to exitOK, ma perché interessano tanto
i muoni?
…perché stiamo cercando l’ Higgs,
Higgs e uno dei modi
migliori per trovarlo (se c’è) è attraverso stati finali
con 4 leptoni (cioè elettroni o muoni): ad esempio,
se mHiggs t 180GeVPerché costruire LHC? La costruzione di LHC è costata parecchio:3 miliardi di euro per il solo acceleratore! Devono esserci davvero degli ottimi motivi per convincere qualcuno a dare tutti questi soldi a dei fisici… In effetti, questi motivi ci sono.
Cosa ci aspettiamo di trovare con
LHC?
Moltissime cose, e molte altre probabilmente
non riusciamo neanche a prevederle…per
fortuna! Qui ci limiteremo a citare due punti
essenziali:
ƒ Il bosone di Higgs
ƒ SupersimmetriaLa caccia all’Higgs Il bosone che porta il nome di Peter Higgs (nella foto, in visita a CMS) è il pezzo mancante del Modello Standard. La presenza dell’Higgs permette alle altre particelle di acquistare massa, attraverso le loro interazioni proprio con l’Higgs.
Dov’è l’Higgs? Finora, nessun esperimento è riuscito a rivelare il bosone di Higgs. • Il collisore e e LEP, anch’esso al CERN (occupava lo stesso tunnel di LHC), ha escluso che abbia una massa inferiore a circa 114 GeV. • La teoria del Modello Standard ci dice che la sua massa non dovrebbe essere superiore a circa 200 GeV. ÆÆ la “finestra” in cui può essere è piccola!
LHC scoprirà l’Higgs? Se l’Higgs c’è, LHC lo troverà. Se non c’è, allora dovremo andare oltre il Modello Standard. In che modo? Da quando il Modello Standard è stato formulato, i fisici teorici si fanno questa domanda. Le risposte possibili sono molte…noi parleremo solo di una delle più comuni: la Supersimmetria.
Supersimmetria Una teoria supersimmetrica è una teoria con delle simmetrie in più, di tipo “fermionico”. L’effetto è che ad ogni particella ne corrisponde un’altra con spin (momento angolare intrinseco) diverso: • spin 0 Higgs Æ spin ½ Higgsino • spin ½ elettrone Æ spin 0 selettrone • spin 1 fotone Æ spin ½ fotino
Particelle Supersimmetriche
Supersimmetria a LHC Finora, nessuna evidenza è stata trovata in favore della supersimmetria. Tuttavia, abbiamo alcune buone ragioni per pensare che le particelle super- simmetriche abbiano masse dell’ordine proprio del TeV. Se è così, allora nessun esperimento compiuto finora aveva energie sufficientemente alte per rivelarle, ma LHC potrebbe scoprirle.
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