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Esiste l’antimateria?

Domenico Galli, Bologna

Orizzonti del nostro Universo

Forlì, 10 novembre 2006

Esiste l’antimateria? 2Domenico Galli

Materia e antimateriaPrima di potere descrivere l’antimateria è necessario chiarire qual è la struttura della materia ordinarianella comprensione della fisica moderna.Se si potesse osservare al microscopio, la struttura atomica della materia apparirebbe come nella figura, che rappresenta un atomo di elio.Le proporzioni però non sono rispettate:

Se i protoni e i neutroni avessero 1 cm didiametro;elettroni e quark avrebbero diametroinferiore a quello di un capello;l’atomo avrebbe un diametro pari a 30 voltela lunghezza di un campo da calcio.


La struttura della materia ordinariamolecola

atomo

nucleo elettrone

protoneneutrone

quark

10 cm−8

10 cm−12

10 cm−13

10 cm−13

(<10 cm)−18


I costituenti della materia: le particelle elementari (Fermioni)

u deνe

c sμνμ

t bτντ

elettrone up downneutrinoelettronico

neutrinomuonico

neutrinotauonico

muone

tauone

charm strange

top bottom

m = 0

m = 0

m = 0

m = 0.5 MeV/c2 m = 8 MeV/c2 m = 15 MeV/c2

m = 170000 MeV/c2 m = 4500 MeV/c2

m = 106 MeV/c2

m = 1800 MeV/c2

m = 1600 MeV/c2 m = 300 MeV/c2

leptoni quark

Esistite subito dopo il Big Bang. Ora presenti nei raggi cosmici e negli acceleratori

1 MeV/c2 = 1.78 × 10–30 kg

Q e= −0Q = 23Q e= 1

3Q e= −

Materia ordinaria


Adroni: barioni e mesoniNon si osservano i quark individualmente, ma soltanto in combinazione di almeno due o tre.Gli adroni sono particelle composite formate da quark. Si suddividono in:

Barioni formati da 3 quark.Mesoni, formati da una coppia quark-antiquark.

u dd

neutrone

0Q =n

u ud

protonep

Q e=

u dpione

positivo

Q e=π +

udQ e= −

pionenegativo

π −

barioni

mesoni


L’interazione

Le forze fondamentalisono attribuite allo scambio di particelle mediatrici.

Per esempio la repulsionetra due cariche elettrichepositive viene attribuita allo scambio di particelle mediatrici, dette fotoni.

Particella carica (p.es. elettrone)

Particella mediatrice (p.es. fotone)


Forze fondamentaliEsistono in natura 4 forze fondamentali:

forza grazitazionale

forza nucleare debole

forza elettromagnetica

forza nucleare forte

particella scambiata gravitone G

bosoni vettori

intermediW+, W–, Z0

fotone γ gluoni g

raggio d’azione ∞ 10–16 cm ∞ 10–13 cm

intensità a piccola

distanza (10–13 cm)

10-38 10-13 10-2 1


Particelle mediatrici (Bosoni)

gravitone

bosoni intermedi

fotone

gluone

Intensità della forzaa piccola distanza

(10 cm)−13

Forza e raggiod'azione

gravitàinfinito

interazione debole10 cm−16

elettromagneticainfinito

interazione forte10 cm−13 1

10−2

10−13

10−38

tiene uniti i quark nei protoni, neutroni, ecc.libera energia nelle reazioni nucleari

portatore della forza elettromagnetica,costituisce luce, onde radio, raggi X, ecc.

responsabili di alcune forme di radioattività

responsabile del peso dei corpi


Le antiparticellePer ogni particellacostituente della materia esiste un’antiparticellacostituente dell’antimateria. Le antiparticelle sono identiche alle corrispettive particelle in tutto eccetto che nella carica elettricache è opposta. Per esempio, la carica del protone èpositiva e quella dell’antiprotone è negativa. Esse hanno la stessa massa.

e− e+elettrone positrone

u uup anti-upd d

down anti-down

u ud

materia anti-materia

u dd

u ud

protone anti-protone

neutrone anti-neutrone

u dd

Q e= − Q e=

23Q e= −

p p

23Q e=

13Q e= − 1

3Q e=

Q e= Q e= −

0Q = 0Q =


La scoperta delle antiparticelleNel 1927 il fisico teorico Paul Dirac scrisse l’equazionedel moto quantistica e relativistica per gli elettroni(equazione di Dirac).Curiosamente l’equazione, oltre alle soluzioni con energiapositiva ha anche soluzioni con energia negativa.Dirac suppose che il vuoto fosse riempito da un maredi elettroni di energia negativa, il mare di Dirac.Se si trasferisce sufficiente energia a unelettrone del mare, esso acquista energiapositiva e diviene un elettrone reale, mentre nelmare si produce una lacuna. Dirac trovò che lalacuna ha carica positiva e pensò inizialmenteche si trattasse di un protone.

È simile a quanto accade stampando monete su diun foglio di metallo rovente. Per ogni monetastampata si forma un buco nel foglio.


La scoperta delleantiparticelle (II)

Herman Weyl calcolò che la lacunadeve avere la stessa massadell’elettrone e perciò non puòessere un protone.Nel 1932 C. D. Anderson al Caltech eG. Occhialini e P. Blackett al laboratorio Cavendish di Cambridge confermarono sperimentalmente l’esistenza una particella con la stessa massa dell’elettrone ma caricapositiva, che egli chiamò positrone osservandotracce prodotte dai raggi cosmici in unacamera a nebbia.Nel 1933 Dirac vince il premio Nobel.Nel 1936 il Nobel è vinto da Anderson per la scoperta del positrone.

http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Hermann_Weyl.jpg


La scoperta delle antiparticelle (III)Nel 1955 fu scoperto l’antiprotone da OwenChamberlain ed Emilio Segrè al LawrenceBerkeley Laboratory utilizzando unacceleratore di particelle.

Chamberlain e Segrè si divisero il premioNobel nel 1959 per la scoperta.

Nel 1995 il CERN annuncia la creazione di 9atomi di anti-idrogeno all’esperimento PS210.

Il Fermilab confermò subito la scoperta delCERN producendo circa 100 aromi dianti-idrogeno.


Come si produce l’antimateria in laboratorio: positroni

Fotografie di produzioni di coppie e+e− in camera a bolle.

Il fotone non lascia tracce. L’elettrone spiraleggia in senso orario.Il positrone spiraleggia in senso antiorario.

γ

γ

Ze

e−

e+

http://teachers.web.cern.ch/teachers/archiv/HST2002/Bubblech/mbitu/electromag-events1.htm


Come si produce l’antimateria in laboratorio: antiprotoni

La reazione piùutilizzata per produrre antiprotoni è:

dove l’energia cinetica nello stato iniziale deve essere superiore a due masse protoniche.

p p p p p p+ → + + +


Applicazioni dell’antimateriaNella PET (Positron Emission Tomography) i positroniprovengono dal decadimento di nuclei radioattiviincorporati in un fluido iniettato nel paziente.

I positroni si annichilano con gli elettroni degli atomi vicini.

L’energia liberata emerge nella forma di duefotoni (raggi gamma)espulsi in direzioneopposta, che vengonorivelati dall’apparato.

http://en.wikipedia.org/wiki/Image:PET-MIPS-anim.gif

http://en.wikipedia.org/wiki/Image:ECAT-Exact-HR--PET-Scanner.jpg


Si osserva l’antimateria in natura?L’antimateria in natura si osserva soltanto:

Sotto forma di antiprotoni e positroni presenti in numero esiguo nei raggi cosmici.

Prodotti secondari della collisione di elettroni, protoni o fotoni con la materia ordinaria.

Sotto forma di positroni prodotti in alcuni decadimenti radioattivi.

Recentemente è stata scoperta una “fontana” di positroni espulsi da qualche oggetto in prossimitàdel centro della nostra galassia, presumibilmente un buco nero.


La fontana di positroni

Piano centraledella Via Lattea

Centro dellaGalassia

Nuvola dipositroni

Mappa delle emissioni di raggi gamma a 511 keV prodotta dal NASA Compton Gamma Ray Observatory (CGRO) nel 1997.

La nuvola potrebbe essere formata dall’emissione di un buco nero al centro dellagalassia o daun’esplosionemultipla di stellenella regionecentrale o ancoradalla fusione didue stelle dineutroni (NASApress release).


Antimateria nell’UniversoNon c’è evidenza di antimateria primaria.

Si trovano pochi antiprotoni (fondo di radiazione cosmica) e nessun nucleo di anti-elio: (i limiti sono dovuti alla sensibilità degli apparati di misura):

La distanza minima dalla Terra di un eventuale dominio di antimateria è comparabile con la scala dell’orizzonte visibile ~1 Gpc (1 pc = 3.08x1016 m == 3.26 a.l.).

p 4

p

10NN

−<

6He

He

1.1 10NN

−< ⋅Esperimento AMS (Alpha Magnetic Spectrometer),livello di confidenza: 95%. Osservati 2.86x106

nuclei di elio, nessun nucleo di anti-elio.

5N

N

2.9 10 , 2 6N

ZN

−< ⋅ ≤ ≤


Ammassi isolati di antimateria?Si potrebbe tuttavia pensareche l’universo sia formato daun mosaico o da un patchworkdi zone isolate, dominatedalla materia edall’antimateria. Tuttavia si ritiene comunementeche sia piuttosto improbabile:

Principalmente perché non è stato trovato un meccanismo mediante il quale un universo simmetrico nel bilancio materia-antimateria possa sviluppare, evolvendo, regioni sufficientemente ampie con prevalenza netta di materia o antimateria.Sebbene possano essere presenti fluttuazioni statistiche, esse non sono in nessun luogo sufficientemente ampie.


Perché ci stupiamo che non ci sia antimateria nell’Universo?

Poiché l’Universo si è creato dal vuoto, ci aspettiamo che nei primi istanti di vita la quantità di materiafosse esattamente uguale alla quantità di antimateria (conservazione della carica elettrica).

Si è trattato del processo inverso dell’annichilazione. Nell’annichilazione una cera quantità di materia interagisce con la stessa quantità di antimateria annichilendosi e producendo energia. Nella creazione una certa quantità di energia si materializza in materia e antimateria nella stessa quantità.

Dobbiamo perciò spiegare come è scomparsa l’antimateria.


Da dove proviene la materia?Secondo il principio di indeterminazione di Heisemberg,

coppie particella-antiparticella possono spontaneamenteapparire dal vuoto e svanire (annichilendosi) a condizione che esse sopravvivano per un intervallo di tempo limitato. Per le coppie elettrone-positrone:

L’universo è pieno di un mare di particelle virtuali che attendono di diventare reali.

2

2

E t mc t

m tc

Δ Δ = Δ Δ ≥

Δ Δ ≥

212

e

~ 6 10 s2

tm c

−Δ = ⋅

e−

e+


Dalle coppie virtuali alle coppie realiSe l’energia disponibile è maggiore della massa delle due particelle, le particelle possono diventare reali.

Nel Big Bang la gravità o qualche altra sorgente ha potuto procurare energia e lo spazio si è espanso abbastanza velocemente da prevenire l’annichilazione della coppia.

L’effetto netto è la trasformazione di energia in massa.


La scomparsa dell’antimateriaSe nella creazione dell’Universo materia e antimateria si sono create nella stessa quantità, ci si aspetterebbero due possibili alternative:

È rimasta la stessaquantità di materia edi antimateria e le duesono molto lontane eseparate tra loro;Non è rimasto nullaperché materia eantimateria si sonoannichilite a vicendaproducendo energia.

Come è stato possibile invece che l’antimateria sia scomparsa mentre la materia sia rimasta?

p p p p

p p p p

p p p p

p p p p

p p p p

p p p p

p p p p

p p p p

p p p p

p p p p

p p p p

p p p p


La scomparsa dell’antimateria (II)Deve avere agito un meccanismo asimmetricoche “preferisce” la materia all’antimateria.

Quanto deve essere stata intensa inizialmente questa asimmetria? Quale eccesso di materiarispetto all’antimateria deve esserci stato inizialmente?

In realtà meno di quanto si possa pensare.

È sufficiente una parte per 10 miliardi:101 10 1.0000000001p

p

NN

−= + =


La scomparsa dell’antimateria (III)

L’annichilazione sopprime una uguale parte di materia e di antimateria.

Rimane soltanto la materia in eccesso.

L’annichilazione estremizza l’asimmetria.

X qqX q l→→

72 p, 69 p

asimmetria

annichilazione

p p p p p p p p p p p p







p p p p p p p p p p



p p p p p p p p p p p


6

3e0 e

2 10 γ

−

+

⋅

p p

p 3 p0 p

Radiazione Cosmica di fondo+

X X X X X X X X X X X X












X qqX q l→→


L’asimmetriaPosto che l’asimmetria iniziale non doveva essere di grandissima entità, si tratta comunque di comprendere come si è prodotta.

Quando l’Universo si espande e si raffredda, i processi di creazione e annichilazione si rallentano e sia la materia sia l’anti-materia hanno tempo per subire altri processi nucleari, come il decadimento.Le particelle X hanno 2 modi di decadimento, nei quali si produce un numero diverso di quark (2 quark nel primo, un quark e un anti-leptone nel secondo):

Analogamente le particelle anti-X hanno 2 modi di decadimento, nei quali si produce un numero diverso di anti-quark (2 anti-quark nel primo, un anti-quark e un leptone nel secondo):

X qqX q l→→

X qqX q l→→


L’asimmetria (II)Se il decadimento è più frequente del decadimentoper esempio, indicativamente:

allora si produce un numero di quark che è maggiore del numero di anti-quark, e dunque si crea l’asimmetria materia-antimateria.

Perché questo accada occorre che la particella anti-X si comporti in maniera un po’ diversa dalla X.

Un’asimmetria di questo tipo tra il comportamento della materia e quello dell’antimateria viene detta violazione della simmetria per coniugazione di carica, o violazione di C.

X qq→ X qq→

X qq 55%

X q l 45%

X qq 54%

X q l 46%

→

→

→

→

⎧⎨⎩⎧⎨⎩


La bariogenesi dell’UniversoLa storia dei primi istanti dell’Universo:

Dopo 10–35 s dal big bang particelle e antiparticelle erano presenti nella stessa quantità.

Tra 10–34 s e 10–4 s avvengono decadimenti che vìolano il numero barionico, C e CP, creando una leggera prevalenza della materia sull’antimateria:

Dopo 10–3 s protoni e antiprotoni si annichilano tra loro e sopravvivono soltanto i protoni in eccesso.

Le prime fasi dell’Universo, quelle più simmetriche, sono anche più instabili. Perché esiste qualcosa invece del nulla? Perché “il nulla” è instabile.

101 10 1.0000000001p

p

NN

−= + =


La bariogenesi dell’Universo (II)Requisiti per la bariogenesi (Sakharov, 1967)

Non conservazione del numero barionico.

Asimmetria nell’interazione particella-antiparticella (violazione di C e di CP).

Devono essere possibili reazioni in cui ilnumero barionico aumenta, ma devonoanche essere sfavorite le reazioni, a esseCP-coniugate, in cui il numero barionicodiminuisce.

Deviazione dall’equilibrio termico.

Andrei DmitrievichSakharov

(1921-1989)


Perché i fisici si interessano delle simmetrie?

Esiste un legame tra quantità non osservabili, invarianza della fisica per trasformazioni di simmetria e princìpi di conservazione.

Quantità non osservabili

Trasformazione di simmetria

Grandezza conservata

Posizione assoluta (omogeneità dello spazio)

Traslazioni nello spazio

Quantità di moto

Tempo assoluto (omogeneitàdel tempo)

Traslazioni nel tempo

Energia

Direzione spaziale assoluta (isotropia dello spazio)

Rotazioni nello spazio

Momento angolare

Emmy AmalieNoether,

1882-1935


Perché i fisici si interessano delle simmetrie? (II)

Lo stesso vale per alcune simmetrie discrete (non sempre valide):Quantità non osservabili

Trasformazione di simmetria

Grandezza conservata

Chiralitàassoluta

Inversione spaziale

Parità spaziale P

Segno assoluto della carica elettrica

Coniugazione di carica

Parità per coniugazione di carica C

Verso della freccia del tempo

Inversione temporale

Parità per inversione temporale T


Violazione di P nel mondo macroscopico

Mondo reale

10%90%

Mondo allo specchio

90%10%

Mondo reale ≠ Mondo allo specchio(violazione della parità)


Violazione di P nel corpo umano

99.999%cuore a sx

0.001%cuore a dx

Mondo reale Mondo allo specchio

99.999%cuore a dx

0.001%cuore a sx

Mondo reale ≠ Mondo allo specchio(violazione della parità)


Violazione di P in biologia (DNA)

Parità totalmente violata

Mondo reale Mondo allo specchio


Violazione di P e chiralità assolutaLa violazione della parità consente di dare una definizione assoluta della sinistra (come si legge sui vocabolari):

p. es.: la parte verso cui è spostato il cuore.

Altrimenti si potrebbe soltanto dire che la sinistra èopposta alla destra e che la destra è opposta alla sinistra.Se tuttavia ci si volesse intendere con un ipotetico extraterrestre sul significato di destra e sinistra, bisognerebbe ricorrere a una violazione della paritànella fisica (la fisica è la stessa in tutto l’Universo, mentre la biologia potrebbe essere diversa: cuore a destra, elica del DNA avvolta in senso opposto, ecc.)


La parità nella fisica microscopicaInterazioni elettromagnetiche, e interazioni nucleari forti sono invarianti per inversione spaziale.

La parità P si conserva.Le interazioni elettromagnetiche e le interazioni nucleari forti viste allo specchio sono assolutamente verosimili.Non è possibile distinguere la destra dalla sinistra sulla base delle interazioni elettromagnetiche o delle interazioni nucleari forti.

Le interazioni nucleari deboli invece non sono invarianti per inversione spaziale.

La parità P a volte non si conserva.Le interazioni nucleari deboli viste allo specchio possono essere inverosimili.Si può distinguere la destra dalla sinistra sulla base delle interazioni nucleari deboli.


Violazione di P e CP nella fisica microscopica

In alcuni decadimenti di particelle (detti interazioni nucleari deboli) si osservaviolazione di P.

Alcuni processi deboli, visti allo specchio, possono essere inverosimili.Si può distinguere la destra dalla sinistra sulla base delle interazioni nucleari deboli.

Tuttavia, se, oltre a guardare tali processi allo specchio, si scambiano anche le cariche positive con quelle negative (simmetria C, o coniugazione di carica), tali processi appaiono di nuovo verosimili. O quasi.


Breve storia della violazione di CPFino al 1956 si credeva che la fisica microscopica fosse invariante per C, P e T.

impossibilità di definire la sinistra assoluta, la carica positiva assoluta e la freccia del tempo assoluta.

Nel 1956 (T. D. Lee e C. N. Yang) si scoprìviolazione di P nel decadimento della particella K+

Nel 1957 (C. S. Wu) si scoprì la violazione di Pnel decadimento ß del 60Co.

Tsung-DaoLee

(1926-)

Chen NingYang

(1922-)

Chien-ShiungWu

(1912-1997)

( )( )

2 13 1

PK

Pππ

+ = +⎧→ ⎨ = −⎩


Breve storia della violazione di CP (II)Nel 1958 fu determinata sperimentalmente(M. Goldhaber) l’elicità del neutrino, cherisulta sempre sinistrorsa (l’elicità dell’anti-neutrino risulta invece sempre destrorsa).

Per altri 7 anni (fino al 1964) si credette chesebbene la parità fosse violata, si conservasse la simmetria CP.

MauriceGoldhaber

(1911-)

destrorsosinistrorso

direzionedel moto

νν

stati fisici osservatistati non osservati

ν P⎯⎯→ ν C⎯⎯→ ν

ν νP⎯⎯→ C⎯⎯→ν


Breve storia della violazione di CP (III)La violazione di CP è stata osservata per la prima volta nel 1964 (J. Cronin, V. Fitch) nel decadimento della particella strana neutra KL.

Oggi si ritiene, su basi teoriche (teorema CPT)e sperimentali, che sia sempre conservato CPT.

Un film proiettato a rovescio, visto attraverso uno specchio e con le cariche scambiate, rappresenta ancora una realtà plausibile.

( )( )

3 1 998‰2 1 2‰L

CPK

CPππ

= −⎧→ ⎨ = +⎩

James WatsonCronin(1931-)

Val LogsdonFitch

(1923-)


Breve storia della violazione di CP (IV)Se CP è violato, mentre CPT è conservato, significa che è violato anche T (irreversibilità meccanica microscopica).

La violazione di T è stata misurata sperimentalmente:( ) ( )( ) ( )

0 0 0 03

0 0 0 0

rateo rateo6.6 10

rateo rateo

K K K K

K K K K−

→ − →= ×

→ + →


Un’analogia

P

C

P

CCP

CP riproduce lo stato originalea meno del piccolo dettagliodella coda.

Violazione di CP


La chiralità assolutaUna misura della violazione di CP è data dal risultato sperimentale:

Tale risultato può essere utilizzato per definire la chiralità assoluta:

“Si definisce sinistra la chiralità dei ‘neutrini’prodotti in maggior numero nel decadimento semileptonico dei kaoni neutri a vita lunga”.

1.00648 0.00035rateo ( )rateo ( )

L e

L e

K eK e

π νπ ν

+ −

− + ±→ + +

=→ + + destrosinistrorso

direzionedel moto

rso

νν


Il segno assoluto della caricaAnalogamente, utilizzando il risultato:

si può definire il segno assoluto della carica elettrica:

“Si definisce positiva la carica elettrica degli ‘elettroni’ prodotti in maggior numero nel decadimento semileptonico dei kaoni neutri a vita lunga”.

1.00648 0.00035rateo ( )rateo ( )

L e

L e

K eK e

π νπ ν

+ −

− + ±→ + +

=→ + +


Il verso assoluto del tempoUtilizzando il risultato sperimentale:

si può definire il verso assoluto del tempo:“Si dice positivo il verso del tempo in cui gli antikaoni neutri tendono a decadere in kaoni neutri più di quanto i kaoni neutri tendano a decadere in antikaoni neutri”.

( ) ( )( ) ( )

0 0 0 03

0 0 0 0

rateo rateo6.6 10

rateo rateo

K K K K

K K K K−

→ − →= ×

→ + →


La stretta di mano a un “extraterrestre”Prima di stringere la mano a un“extraterrestre” occorreaccertarsi che esso siacomposto di materia. Semalauguratamente egli fossecomposto di antimateria lastretta di mano sarebbemortale e porterebbe allamutua annichilazione.Come ci si può accertare cheegli sia composto di materiaprima di toccarlo?Per fortuna materia e antimateria non sono esattamente l’una l’opposto dell’altra a causa della violazione di CP.


La stretta di mano a un “extraterrestre” (II)Infatti alcune particelle, i kaoni neutri a vita lunga KLpossono avere, tra gli altri,2 tipi di decadimentosemileptonico, tra loroCP-coniugati, ma tali due canalidi decadimento non hannoesattamente la stessa frequenza.

Regola: mai stringere la mano a extraterrestri i cui nuclei atomici hanno carica elettrica dello stesso segno della carica degli elettroni emessi con maggiore frequenza nel decadimento semileptonico dei kaoni neutri a vita lunga.

1.00648 0.00035rateo ( )rateo ( )

L e

L e

K eK e

π νπ ν

+ −

− + ±→ + +

=→ + +


Una lunga ricercaLa violazione di CP impegna la fisica fondamentale da quasi 40 anni.

La scoperta è stata precoce, favorita dalla piccola massa del kaone neutro K0 (circa metà della massa di un protone) e dalla differente vita media dei suoi due stati liberi KL e KS (un fattore 600) che ha consentito di separarli facilmente.

Tuttavia la comprensione più profonda ha richiestolo studio della violazione diretta di CP;

lo studio della violazione di CP nei decadimenti di altri mesoni neutri di massa più grande (D0, B0, B0

s), per i quali sono minori le correzioni della QCD.


Una lunga ricerca (II)La produzione di queste particelle (il B0 ha massa pari a circa 5 volte la massa del protone) ha richiesto un notevole avanzamento nella tecnologia degli acceleratori.Infine il meccanismo di violazione di CP oggi conosciuto, basato sul Modello Standard prevede una violazione di entità troppo piccola per spiegare la bariogenesi.

La cosmologia suggerisce che, oltre al Modello Standard, esista un’altra sorgente di violazione di CP.


Il CERN: i 20 stati membri


Il CERN: gli utenti


L’acceleratore LHC (Large HadronCollider) del CERN

Circonferenza: 27 km.Completamento costruzione: 2007.Potenza elettrica utilizzata:115 MW (cfr. città di Ginevra: 280 MW)

e+e- 100 GeVp-p 14 TeV


L’acceleratore LHC (Large HardonCollider) del CERN (II)Energia nel centro di massa: 14 TeV.Energia totale dei 2 fasci di protoni:700 MJ(sufficiente a scaldare e fondere 950 kg di rame).Energia accumulata nei magneti:11 GJ.


LHC: una grande sfida tecnologicaCampo magnetico nei dipoli: 8.33 T.Intensità di correntenei dipoli: 12.84 kA.Numero dei dipoli: 1232.Numero deiquadrupoli: 858.Temperatura di lavoro dei magneti: 1.9 K (cfr. 2.7 K, radiazione fossile. Il CERN diviene la località massiva piùfredda dell’Universo).Liquido refrigerante: elio superfluido.


L’immissione dei protoni nel LHCGli atomi di idrogeno provengono da una normale bombola.I protoni si ottengono strappando gli elettroni dall’idrogeno (ionizzazione).I protoni sono accelerati fino a 50 MeVdall’acceleratore lineare Linac2 e poi iniettati nel PS Booster.Il PS Booster (PSB) accelera i protoni fino a 1.4 GeV. Il fascio di protoni riempie il Proto-Sincrotrone (PS), dove viene accelerato fino a 25 GeV.I protoni sono poi inviati al Super Proto-Sincrotrone (SPS) dove sono accelerati fino a 450 GeV.Infine sono trasferiti al Grande Collisionatore Adronico (LHC) sia in senso orario sia in senso antiorario (si impiegano 4’20’’ per riempire LHC), dove sono accelerati per 20 minuti fino a raggiungere i 7 TeV. Il fascio di protoni continua a circolare per molte ore.


L’esperimento LHCbLa collaborazione LHCb

565 ricercatori47 università e laboratori15 paesi

Scala dei tempi dell’esperimento LHCb1995 Letter of Intent1998 Technical Proposal1998 approvazione dell’esperimento2000-2004 Technical Design Report2007-2008 avvio acquisizione dati

Brasile

Francia

Germania

Italia OlandaCina Romania Spagna

Svizzera

Ucraina

Gran Bretagna

Polonia Russia

Finlandia

Irlanda


Lo stato attuale del rivelatore LHCb


Il calcolo off-lineI requisiti del calcolo dei 4 esperimenti del LHC (ALICE, Atlas, CMS e LHCb) sono enormi:

14 PB (14 x 1015 B) di dati prodotti ogni anno;70000 dei più veloci PC di oggi per analizzarli e per produrre gli eventi simulati Monte Carlo.

Per soddisfare queste richieste si utilizzeranno i centri di calcolo degli enti che partecipano agli esperimenti, diffusi su tutto il globo, integrati in una griglia computazionale.


La griglia computazionale

Quando si accende la macchina del caffè non ci si deve preoccupare di contattare una particolare centrale elettrica per ottenere l’energia. La rete elettrica provvede a distribuirla.Analogamente la griglia computazionale fa sì che per eseguire un’analisi di un certo campione di dati non sia necessario preoccuparsi né di dove siano memorizzati i dati né di dove siano le CPU libere per processarli.


Gerarchia dei centri di calcolo

CERN(Tier-0)

Net

wor

kTier-1

Net

wor

kN

etw

ork

Net

wor

k

Tier-2

Net

wor

kN

etw

ork

Net

wor

kN

etw

ork

Net

wor

kN

etw

ork

Tier-3

Net

wor

k

Tier-4


Gerarchia dei centri di calcolo (II)Tier-0 (CERN):

Cassette: 10 PB/anno (1 Peta Bytes = 1015 B)

Dischi: 2 PB (20.000 Dischi da 100 GB)

CPU: 20 MSPECint2000 (40.000 Pentium@1Ghz)

Tier-1 (p. es. Bologna, Lyon, Karlsruhe, …):Cassette: 1-3 PB/anno

Dischi: 1.5 PB (15.000 Dischi da 100 GB)

CPU: 10 MSPECint2000 (20.000 Pentium@1Ghz)


Centro Nazionale di Calcolo Tier-1 INFN di Bologna: sala macchine

1000 m2


Centro Nazionale di Calcolo Tier-1 INFN di Bologna: tipico rack di computer

Rack 19” 42U

40 PC bi-processore 1U per rack;

80 CPU per rack;


Centro Nazionale di Calcolo Tier-1 INFN di Bologna: computer


Centro Nazionale di Calcolo Tier-1 INFN di Bologna: dischi


Centro Nazionale di Calcolo Tier-1 INFN di Bologna: cassetteRobot per la gestione di cassette di dati STK 5500

6 x LTO2 drives4 x 9940B drives1300 LTO2 (200 GB)650 9940B (200 GB)1.6 PB (PetaByte)1690000 GB


Centro Nazionale di Calcolo Tier-1 INFN di Bologna: gruppo elettrogeno

1.1 MW12 tonnellateDovrà essere potenziatofino a 3.6 MW


Centro Nazionale di Calcolo Tier-1 INFN di Bologna: UPS (gruppo di continuità)

2x700 kW10 minuti a pieno carico2x30 tonnellate


Centro Nazionale di Calcolo Tier-1 INFN di Bologna: condizionatore

condizionatore


Centro Nazionale di Calcolo Tier-1 INFN di Bologna: connessione di rete

Il CNAF è connesso attualmente con la rete GARR–G (10 Gbps, linee bianche nella mappa) a sua volta collegata a Milano con GÈANT.

INFN/CNAF-Bologna

http://www.noc.garr.it/mappe/backbone.shtml


Personale impegnato a BolognaUmberto Marconi, Primo Ricercatore INFN.

Responsabile del gruppo di Bologna.Membro del Comitato di Gestione del Centro Nazionale di Calcolo di Bologna. Responsabile Nazionale del Calcolo dell’esperimento.

Domenico Galli, Professore Universitario di ruolo di II fascia.Membro del Collaboration Board dell’esperimento.Membro del Comitato Tecnico del Centro Nazionale di Calcolo di Bologna.Membro dell’Executive Board del progetto INFN-Grid.

Stefania Vecchi, Ricercatrice INFN.Giovanni Valenti, Ricercatore INFN.Vincenzo Vagnoni, Ricercatore INFN art. 36.

Membro del Comitato Tecnico del Centro Nazionale di Calcolo di Bologna.Marianne Bargiotti, Gianluca Castellani, fellow CERN sotto la responsabilità di Bologna.Angelo Carbone, Gabriele Balbi, Daniele Gregori, Dottorandi/assegnisti.Daniela Bortolotti, Gianluca Peco, tecnici informatici INFN.Ignazio Lax, Giulio Avoni, tecnici elettronici INFN.

domenico galli, bologna orizzonti del nostro universo ... · ora presenti nei raggi cosmici e negli...

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