particelle elementari e forze fondamentalisquarcia/didattica/orientamento/06... · 2006. 3. 31. ·...
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Particelle Elementarie Forze Fondamentali
Enrico Robutti
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E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 2
Le interazioni fondamentali
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Forze fondamentali e unificazioneLe interazioni fondamentali sono quelle attraverso la
conoscenza delle quali è possibile descrivere tutti i fenomeni osservati in natura
Lo scopo è quello di descrivere il maggior numero possibile di fenomeni con il minor numero possibile di teorie generali⇒ unificazione
Diversi importantissimi esempi di unificazione nell’evoluzione della fisica
Quattro le forze oggi considerate fondamentali:Interazione Gravitazionale
Interazione ElettroMagnetica
Interazione Nucleare Forte
Interazione Nucleare Debole
Interazione Elettro-Debole
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L’interazione gravitazionale
L’interazione gravitazionale regola il moto dei corpi celesti e in generale la struttura a grande scala dell’Universo
Si esercita tra tutti i corpi massivi
Ha raggio di interazione infinito
Descritta con successo da Newton con la Legge di Gravitazione Universale
Primo esempio di “unificazione” (la forza che fa cadere i gravi è la stessa che regola il moto dei pianeti)
La stragrande maggioranza dei moti celesti può essere descritta accuratamente per mezzo della meccanica newtoniana
Rivista da Einstein con la Teoria della Relatività Generale in termini di geometria dello spazio-tempo
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L’interazione elettromagneticaL’interazione elettromagnetica è responsabile della
stragrande maggioranza dei fenomeni osservati su scala “umana”, inclusi i processi chimici e biologici
Stretto legame tra fenomeni di natura elettrica e magnetica messo in luce dagli studi di Ampère, Faraday,…
Unificazione di elettricità e magnetismo portata a compimento dal lavoro di Maxwell: Elettrodimamica Classica
onde elettromagnetiche ⇒ ottica ondulatoria
Quantizzazione del campo elettromagnetico di Dirac: Elettrodimamica Quantistica
La luce (e la radiazione e.m.) torna alla rappresentazione corpuscolare (fotoni)
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L’interazione nucleare forteLa repulsione elettrostatica tra i protoni,
carichi positivamente, all’interno del nucleo tende ad allontanarli reciprocamente
Nei nuclei molto pesanti questo dà luogo ad instabilità ⇒ fenomeni radioattivi
L’interazione nucleare forte è responsabile delle forze che “tengono insieme” i protoni nel nucleo
⇒ forze attrattive superiori alla repulsione elettrostatica a brevissime distanze (~1 fm)
A livello inferiore è responsabile dell’aggregazione dei quark in protoni, neutroni, e negli altri adroni
Descritta da un’altra teoria di campo: CromodimamicaQuantistica (QCD)
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L’interazione nucleare deboleL’introduzione di un altro tipo di interazione nucleare,
l’interazione nucleare debole, è necessaria per descrivere alcuni processi osservati in natura quali:
Il decadimento del neutrone:n → p e– Æνe
L’unificazione della teoria delle interazioni deboli con l’Elettrodinamica Quantistica ha determinato la nascita del Modello Standard delle interazioni elettro-deboli
Il decadimento del muone:
μ– → e– Æνe νμ
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Le scale delle interazioni
Ogni interazione è caratterizzata, oltre che da una “intensità”, da una distanza tipica al di sotto della quale diventa rilevante:
Interazione Intensità (e.m. = 1) Distanza
Gravitazionale 10–40 ∞Nucleare Debole 10–10 10–15 m
Elettromagnetica 1 ∞
Nucleare Forte 100 10–12 m
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Le particelle
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Cos’è una particella elementare?In teoria con il termine “particella elementare” si intende una
particella nella quale non possa essere distinta una sotto-struttura composta da altre entità più “fondamentali”
In questo senso né l’atomo né il nucleo sono particelle elementari
In pratica la Fisica delle Particelle Elementari si occupa anche dello studio di alcuni sistemi “sub-nucleari” (p.es. protone e neutrone), che sono oggi descritti come oggetti “composti”.
Lo studio delle particelle elementari e quello delle interazionifondamentali sono in pratica la stessa cosa
Più le particelle sono “elementari”, più diretto è il confronto tra l’osservazione sperimentale di come interagiscono tra di loro e leprevisioni della teoria che descrive l’interazione
Le stesse interazioni sono mediate da “quanti” che sono a tutti gli effetti particelle elementari
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Le proprietà delle particelleLe particelle sono caratterizzate da molte grandezze:
massa: da 0 a centinaia di GeV/c2 per le particelle note;carica: multipli interi della carica elementare per le particelle “libere”;spin: intero (0, 1,..) per i bosoni, semi-intero (1/2, 3/2,..) per i fermioni;…
Le vite medie sono molto differenziate: particelle stabili: mantengono la loro identità indefinitamente (p. es.
protone, elettrone);particelle instabili: decadono “spontaneamente” dopo un certo tempo
(p. es. neutrone, muone, pione);risonanze: hanno una vita media
talmente breve che si possono osservare solo per mezzo di particolari caratteristiche nella cinematica dei prodotti di decadimento (p.es. Δ, ρ)
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Barioni, mesoni, quarkTutte le particelle soggette all’interazione forte sono dette
adroni
Nel modello a quark tutti gli adroni vengono interpretati come stati legati di oggetti più fondamentali, i quark
A seconda dei processi di produzione e decadimento in cui sono osservati, gli adroni vengono classificati come:
barioni: p.es. protone, neutrone;
mesoni:p.es. π, K
barioni → tre quark (antiquark) mesoni → un quark e un antiquark
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I leptoniIl muone ha caratteristiche del tutto analoghe a quelle
dell’elettrone ma una massa circa 200 volte superiore
I neutrini hanno caratteristiche del tutto peculiari:hanno massa (quasi) nulla;
interagiscono pochissimo (solo interazione debole)
L’esistenza del neutrino venne postulata per spiegare la forma dello spettro degli elettroni emessi nei decadimenti β
e–
Æνe
Elettrone, muone, neutrino, fanno parte della famiglia dei leptoni: non sono soggetti all’interazione forte ma solo a quella debole e (se carichi) a quella elettromagnetica
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I mediatori delle forze
Le particelle scambiate non sono normalmente osservabili direttamente. P. es.:
Le interazioni tra particelle avvengono attraverso lo scambio di altre particelle, i “mediatori” delle forze
Le caratteristiche dell’interazione si riflettono nelle caratteristiche dei mediatori: p.es. massa elevata ⇒ corta distanza di interazione
e+ e– → μ+ μ– è descritto da e+ e– → γ → μ+ μ– (γ = fotone);
n → p e+ Æνe è descritto da n → p W– → p e+ Æνe (W– = mediatore dell’interazione debole);
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Il Modello Standard
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Tre famiglie di fermioniElettrone, neutrino
elettronico, quark up e downsono sufficienti a descrivere la materia che ci circonda
Per descrivere i processi osservati in laboratorio occorre però introdurre altre due famiglie di fermioni, con caratteristiche analoghe ma con masse sempre più alte
L’osservazione del quark top (Fermilab, 1995) è stato uno dei più grandi successi del Modello Standard
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I bosoni vettori
L’interazione elettromagnetica è mediata dal fotone (neutro, massa nulla)
L’interazione nucleare forte è mediata da 8 gluoni (neutri, massa nulla)
L’interazione nucleare debole è mediata da 3 bosoni vettori massivi: 2 carichi (W±) e uno neutro (Z0)
L’osservazione di W± e Z0 (CERN, 1983) costituisce il primo grande successo del Modello Standard
Gravitazione → gravitoni?
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Il bosone di HiggsLa costruzione del Modello Standard implica che i campi che
vi compaiono siano associati a particelle di massa nulla, contrariamente all’evidenza sperimentale
Il meccanismo di Higgs consente di riscrivere la teoria in modo che le particelle “fisiche” (sia materiali che mediatrici di forza) acquistino una massa.
La conseguenza è la comparsa di una nuova particella massiva, il bosone di Higgs
Il bosone di Higgs non è mai stato osservato e sarà il primo obiettivo della prossima generazione di esperimenti
La teoria non prevede alcun valore per la massa dell’Higgs, ma i dati disponibili oggi permettono di stabilire limiti inferiori e superiori: la regione permessa è limitata
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Il quadro completo
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Oltre il Modello Standard?Nonostante i numerosissimi successi, il Modello Standard è
insoddisfacente sotto molti punti di vista:non predice l’esistenza di esattamente tre famiglie di fermioni, i valori
delle masse e le grandi differenze tra di esse,…;
non giustifica l’asimmetria materia-antimateria dell’Universo;
non spiega l’origine della materia oscura
Numerose nuove teorie tentano di risolvere queste difficoltàestendendo o superando il Modello Standard
Le teorie supersimmetriche sono tra le più attraenti e studiate: prevedono l’esistenza di un gran numero di nuove particelle elementari, e spesso sono associate a simmetrie che permettono di unificare l’interazione forte a quella elettro-debole (teorie di Grande Unificazione)
Il passo successivo è quello di includere anche la gravità (teorie di stringhe, membrane,…)
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Come è fatto un esperimento
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Bersagli fissi e fasci collidentiDue diverse classi di esperimenti con acceleratore:
Il fascio di particelle accelerate viene “estratto”dall’acceleratore e diretto su un bersaglio fisso
Altissime luminosità(∝ numero di eventi per unitàdi tempo) raggiungibili
Possibilità di creare fasci “specializzati”: p.es. fasci di pioni o di kaoni
Due fasci che viaggiano in direzioni opposte collidono all’interno dell’acceleratore
Tutta l’energia dei fasci èdisponibile per la creazione di nuove particelle ⇒ altissime energie raggiungibili
Utilizzo efficiente dei fasci negli accumulatori circolari
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Gli acceleratoriGli acceleratori forniscono la “materia prima” per gli
esperimenti: accumulano ed accelerano i proiettiliI proiettili sono normalmente particelle cariche stabili: protoni,
elettroni, antiprotoni, positroni
Sono tipicamente di due tipi:lineari;
circolari (accumulatori)
Gli elementi principali sono:cavità risonanti, per fornire energia
alle particelle;
magneti, per controllarne la traiettoria
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La struttura di un rivelatore
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La struttura di un rivelatoreLe classi principali di rivelatori:
tracciatori di vertice: ricostruiscono vertici secondari;
tracciatori principali: misurano carica e impulso;
identificatori di particella: misurano la velocità;
calorimetri elettromagnetici: misurano l’energia di elettroni e fotoni;
calorimetri adronici: misurano l’energia degli adroni
camere per muoni: rivelano il passaggio dei μ
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Dal progetto alla presa datiproposta metodo
di misura
formazione della Collaborazione
scelta del laboratorio
progettoprogetto
collisioni ⇒ inizio presa dati
installazione
test apparato completo
costruzione/test sotto-rivelatori
costruzione/test
rivelatoreac
cele
rato
re
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Dalla collisione alla misuracollisione
filtro software
analisi datiac
quis
izio
ne d
ati
prima selezione eventi (trigger)
segnali nei rivelatori
scrittura evento
ricostruzione dell’evento
selezione eventi di interesse
analisi completa
misura / confronto con la
teoria
rilettura e decodifica dati
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Gli esperimenti
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Temi attuali in Fisica delle ParticelleConferme del Modello Standard
Esiste il bosone di Higgs? Ha massa compatibile con gli attuali limiti indiretti? Interagisce come previsto con le altre particelle?
L’accoppiamento tra le famiglie fermioniche è in perfetto accordo con il modello?
Studio di processi vietati nel Modello Standard
Oltre il Modello StandardEsistono particelle supersimmetriche? Che massa hanno?
Ci sono altre particelle elementari “impreviste”?
Test di modelli di fisica adronicaSpettroscopia degli adroni
Studio di produzione e decadimento di adroni
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CERN, Ginevra
I laboratori nel mondo
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Fermilab, Illinois
I laboratori nel mondo
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DESY, Amburgo
I laboratori nel mondo
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SLAC, Stanford - California
I laboratori nel mondo
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I laboratori nel mondo
Laboratori Nazionali di Frascati
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Il Large Hadron Collider
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Il Large Hadron Collider
Il Large Hadron Collider (LHC) è attualmente in costruzione al CERN: nel 2007 dovrebbe iniziare le operazioni
LHC è un anello di collisione protone-protoneEnergie finora mai raggiunte: 7 TeV + 7 TeV
Altissima luminosità
Quattro grandi esperimenti:ATLAS
CMS
LHCb: fisica del mesone B
ALICE: fisica nucleare e adronica
uso generale; ricerca del bosone di Higgs, Nuova Fisica }
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Il presente e il futuroOggi:
fisica dei sapori (principalmente B): BABAR, Belle;
Modello Standard (top, W): CDF, D0;
fisica adronica: CLEO, BES,…
Domani:nel 2007 inizia l’era di LHC;
decadimenti rari? (NA48,…);
super-fabbrica di B?
Dopodomani:acceleratore lineare e+e– ad altissima energia;
anello di collisione μ+μ–?
…?
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ATLAS
Fisica ad altissime energie:ricerca del bosone di Higgs;
ricerca di nuova fisica (particelle supersimmetriche?)
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ATLAS
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LHCb
Fisica dei mesoni B:decadimenti molto rari;
misure di precisione, possibilità di studiare i mesoni Bs (bÆs)
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LHCb
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TOTEM
TOTEM
Area sperimentale CMS (IP5)
CMS
Fisica “in avanti” a LHC:sezione d’urto protone-protone elastica e totale;
fisica diffrattiva
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TOTEM
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BABAR
Fisica dei mesoni B:violazione della simmetria CP; parametri di mescolamento famiglie;
decadimenti rari
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BABAR
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MEG
Violazione del numero leptonico: ricerca del decadimento μ → e γ
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MEG
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Il lavoro del fisico delle particelle
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HardwareRivelatori di particelle
Elettronica
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Sviluppo di nuove tecnologie
Progetto, realizzazione e test di rivelatori per esperimento
Studi di prestazioni
Progetto di sistemi complessi di acquisizione dati
Progetto e realizzazione di nuovi chip dedicati
Progetto e realizzazione di schede di acquisizione/elaborazione dati
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SoftwareAcquisizione dati
Analisi
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• B0 → K+ π–• B0 → K– π+
Progetto di architetture di acquisizione
Scrittura di codice di lettura/controllo/archiviazione
Sviluppo di interfacce utente
Progetto di architetture di ricostruzione/simulazione/analisi dati
Scrittura di codice specifico
Analisi finale dei dati ⇒ risultati di fisica
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Gestione e coordinamentoEsperimenti sempre più grandi ⇒ necessità di una struttura
ben organizzata
Moltissime posizioni di coordinamento:Gestione generale esperimento: “portavoce”, coordinatori tecnici, di
fisica, di calcolo
Coordinatori sotto-rivelatori e responsabili hardware/software sotto-sistemi
Responsabili sotto-sistemi di calcolo
Coordinatori gruppi di ricostruzione e analisi
Gestione scrittura articoli e presentazioni a conferenze
…
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Competenze e sbocchi professionaliRicerca “pura”: Università, Enti di Ricerca, Laboratori
internazionali
Figure specializzate nei centri di ricercaServizi di calcolo, elettronica, nuove tecnologie
Industria e serviziSviluppo software
Gestione sistemi di calcolo e trattamento dati
Progettazione e sviluppo elettronica
Progettazione sistemi di controllo
Tecnologie biomediche
Simulazioni di mercato (assicurazioni, società finanziarie)
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