Acceleratori e Big Bangragusa/DISS-18.12.2013.pdf · Acceleratori di particelle: microscopi per...

Francesco RagusaDipartimento di Fisica

INFN - Milano

Dipartimento di Scienze della SaluteMilano 18 Dicembre 2013

Acceleratori e Big Bang Un viaggio dalle particelle elementari alla cosmologia

Diapositive disponibili in http://www.mi.infn.it/~ragusa/DISS-18.12.2013

2Acceleratori e Big Bang – Francesco Ragusa

Acceleratori e Big BangAcceleratori e Big BangLa forza come scambio di quantiAcceleratori di particelle: microscopi per l‘infinitamente piccoloIl CERN e l'Acceleratore LHC e l’esperimento ATLASIl modello standardIl Bosone di HiggsLa Nascita dell'Universo e il Big BangEnergia, Temperatura e Universo PrimordialeTemperatura e RadiazioneIl Fondo Cosmico di Microonde e l'Universo PrimordialeAi Confini dello Spazio e del TempoEpilogo


La forza come scambio di La forza come scambio di …………

© Particle Data Group - Berkeley


L'interazione come scambio di fotoneL'interazione come scambio di fotone

L'interazione fra due elettroni può essere vista come lo scambio di un fotone

Il primo elettrone emette un fotone e quindi cambia direzioneIl secondo elettrone assorbe il fotone e cambia direzione

Notare che il numero di elettroni rimane sempre lo stesso: 2 → 2Il numero di fotoni varia: 0 → 1 → 0

elettroni (anche i protoni e i neu-troni ) sono fermioni → materia

►► il loro numero si conservail loro numero si conservafotoni sono bosoni → forze

Rivediamo


Le Forze FondamentaliLe Forze Fondamentali

Forza Intensità Quanto Presente in Esempio

Nucleare Forte ~1 gluone nucleo atomico Energia Nucleare

Elettromagnetica 10-3 fotone legami atomici Chimica

Nucleare Debole 10-5 Z0,W+ W- nuclei,sole Velocità fusione nel soleradioattività naturale

Gravitazionale 10-38 gravitone ? corpi pesanti Cosmologia


Lo studio dellLo studio dell‘‘infinitamente piccoloinfinitamente piccoloLa visione di un oggetto implica:

illuminazione dell'oggettodiffusione della lucerivelazione della luce diffusaeventuale elaborazione della luce diffusa

Il limite alla dimensione dell'oggetto più piccolo visibile è dato dalla lunghezza d'onda della luce λc è la velocità dell'onda

Einstein E = h νPer vedere oggetti piccoli:

piccola lunghezza d'onda λelevata energia E

λ = cT = cν=

cE/h


Lo studio dellLo studio dell‘‘infinitamente piccoloinfinitamente piccolo"Vedere" la struttura del protoneSi utilizza un fascio di elettroniL'elettrone viene utilizzato come sorgente di fotoni di elevatissima energiaI fotoni "illuminano" il protone

Data l'elevata energia si creano nuove particelle

Einstein equivalenza massa - energia → E = m c2

Le particelle prodotte sono rivelateCosì si studia la struttura del protone

elettrone


E = mcE = mc2 2 : Materia e Antimateria: Materia e AntimateriaNella Teoria della Relatività Einsteinintrodusse l'equivalenza fra massa e energiaIl fotone può trasformarsi in altre particelle.Esempio

Nel processo indicatoscompare un fotoneviene creato un elettroneviene creato un anti-elettrone (positrone)viene creata una coppiafermione anti-fermione

Viene creata una coppia materia-antimateria

+ −→ e eγ

fotone

elettrone - positrone

camera a bolle


Creazione di Materia e AntimateriaCreazione di Materia e Antimateria

Lo stesso grafico che descrive la radiazione di un fotone può essere utilizzato per descrivere:

la annichilazione di un elettrone e di un antielettronela creazione di un elettrone e di un antielettrone

Si possono creare, oltre gli elettroni e antielettroni, altre coppie di particelle – antiparticelle

ad esempio quark antiquark

Il modo più efficiente per trasfor-mare tutta l'energia in nuove par-ticelle è quello di realizzare un urto frontale


Acceleratori di particelleAcceleratori di particellePer accelerare una particella carica occorre un campo elettrico

Poco pratico:Per raggiungere elevate energie occorrono tensioni elevatissime1 milione di volt per un MeVLHC avrà energie di 7 TeV1 TeV = 1012 eV = 106 MeV1 TeV = 1 000 000 000 000 eV

+− +− +− +− +− +−

0 KV 100 KV 200 KV 300 KV 400 KV 500 KV 600 KV

Ε =VL

K q= V

100KVΕ =

L

L

Energia cinetica:


Acceleratori di particelleAcceleratori di particelleSi fa in modo che il potenziale acceleratore viaggi con la particella

Il potenziale che viaggia è un’onda elettromagneticaIl campo elettrico deve essere longitudinaleLa velocità dell’onda e della particella devono essere uguali

Cavità risonanti: immagazzinano tanta energia( ρ ~ |E|2 ); limitato dall’emissione di elettronidalle pareti

+−

−50 KV +50 KV

+−

−50 KV +50 KV

+−

−50 KV +50 KV

+−

−50 KV +50 KV

+−

−50 KV +50 KV

+−

−50 KV +50 KV


Acceleratori lineariAcceleratori lineariPer costruire un acceleratore si possono disporre tante cavità acceleratrici in serie

L’Acceleratore Lineare di SLAC: Stanford, California

p p


Acceleratori circolariAcceleratori circolariacceleratore lineare

cavità acceleratrici

dipoli magnetici

Se si confinano le particelle in una orbita circolare, queste acquistano energia ad ogni passaggio dentro una cavitàUn campo magnetico perpendicolare al disegno confina le particelle in una orbita circolare


I grandi acceleratori: il CERNI grandi acceleratori: il CERNCentro Europeo Ricerche Nucleari:

Il CERN è il laboratorio più grande del mondo per le ricerche di Fisica delle Particelle Elementari

Fondato nel 1954L’Italia uno dei 12 paesi fondatoriScopo del CERN:

Il CERN fornisce ai paesi membri apparecchiature complesse e sofisticate per compiere ricerche di Fisica Fondamentale nel campo della Fisica delle Particelle Elementari

http://www.cern.ch/


I grandi acceleratori: il CERNI grandi acceleratori: il CERNOggi il CERN conta 20 paesi membriPaesi e organizzazioni con ruolo di osservatori: Unesco, EU, Israele, Turchia, USA, Russia, Giappone


Gli acceleratori del CERNGli acceleratori del CERN

Il CERN ha il più grande complesso di macchine acceleratrici del mondoSono macchine costruite sotto terra ma sarebbero facilmente visibili da un satellite


LHC: LHC: LargeLarge HadronHadron ColliderCollider


Il tunnel dellIl tunnel dell‘‘acceleratore LEPacceleratore LEP

L'acceleratore è posto in un tunnel a circa 100 m. di profonditàÈ un acceleratore di protoni

L'acceleratore è composto di:magneti per mantenere i protoni in un'orbita circolarecavità RF per accelerare i protoni


Adesso ospita lAdesso ospita l’’Acceleratore LHCAcceleratore LHC


I dipoli magnetici di LHCI dipoli magnetici di LHC

magneti superconduttori il direttore del progetto è un professore della nostra università


I dipoli magnetici di LHCI dipoli magnetici di LHC


Le bobine superconduttrici dei dipoliLe bobine superconduttrici dei dipoli


Le cavitLe cavitàà acceleratriciacceleratrici


La sala di controllo degli acceleratoriLa sala di controllo degli acceleratori


LL’’acceleratore LHCacceleratore LHCL’acceleratore LHC è il più grande e potente mai costruito

Circonferenza di 27 KmI fasci contengono 1014 protoniOgni protone un’energia di 7 TeV

Frecciarossa a 150 Km/h

L’energia cinetica di una portaerei a 6 nodi


ATLAS e LHC: una collisioneATLAS e LHC: una collisione


Il rivelatore ATLASIl rivelatore ATLAS

Lunghezza 46 mRaggio 12 mPeso 7000 tCanali Lettura 108

3000 Km di cavi

Contributi Milano Magnete Toroidale Calorimetro Elettromagnetico

Rivelatore di Vertice


La costruzione dellLa costruzione dell’’esperimento ATLASesperimento ATLAS


Le bobine del toroideLe bobine del toroideFasi della costruzione presso l’Ansaldo


Le Bobine del ToroideLe Bobine del Toroide


Il Rivelatore di Vertice di ATLASIl Rivelatore di Vertice di ATLAS


Il rivelatore di fotoniIl rivelatore di fotoni


Il rivelatore di Il rivelatore di muonimuoni


Il rivelatore ATLASIl rivelatore ATLAS


LL’’analisi dei dati: analisi dei dati: ““the the gridgrid””Sotto alcuni punti di vista è una evoluzione del concetto di Web

Web: accesso uniforme a docu-menti htmlGrid: accesso flessibile e con alte prestazioni a risorse di calcolo:

►► CPUCPU►► storagestorage

LHC produce una enorme quantità di dati

Annualmente prodotti circa 12 PB di dati: 1 PB = 1 000 000 GB

50 CD-ROM= 35 GB

6 cm

jet (10 Km)

palloni nella stratosfera

Torre di CD con 1 annodi dati LHC (~ 20 Km)

Monte Bianco (4.8 Km)


LL’’analisi dei dati: analisi dei dati: ““the the gridgrid””L’analisi di una gigantesca mole di dati (ad oggi 120 PB) ha richiesto lo sviluppo di un’infrastruttura di calcolo molto sofisticata: la GRID

Centinaia di centri (migliaia di computer) connessi in una struttura gerarchica


LL’’analisi dei dati: analisi dei dati: ““the the gridgrid””

39

Tier-0 (CERN): (15%)• Data recording• Initial data

reconstruction• Data distribution

Tier-1 (11 centres): (40%)•Permanent storage•Re-processing•Analysis•Connected by direct 10 Gb fibres

Tier-2 (>200 centres): (45%)• Simulation• End-user analysis


LL’’analisi dei dati: analisi dei dati: ““the the gridgrid””Occupazione giornaliera della GRID

100 k


Il Modello Standard: la materiaIl Modello Standard: la materiaIl protone e il neutrone sono fatti di quark

Il protone è composto da ( u u d )Gli atomi sono fatti di neutroni, protonie elettroniNei decadimenti radioattivi β vengono emessi neutrini

u d e νe costituiscono la prima famigliaEsistono tre famiglieHanno le stesse proprietà della prima, a parte la massa (sono più pesanti)

non si sa perchè esistono tre famiglie

u

u d 2 13 32 13 31 13 3

Q B

u

u

d

+

+

−

2 2 11

3 3 3−

+ + = +

en pe ν→


Il Modello Standard: le forzeIl Modello Standard: le forzeConosciamo quattro forzeIl Modello Standard ne descrive solo tre

le forze sono realizzate attraverso lo scambio di quanti

Le leggi delle forze sono ricavate da un principio di simmetria

en pe ν→

n p

e

νe

W−


Il Modello Standard: le forzeIl Modello Standard: le forzeUna delle scoperte più importanti è stato capire il legame fra la forza e un principio di simmetria o invarianza

Un’invarianza che tutti conosconoÈ importante solo la differenza di potenziale

È un’invarianza sempliceIl potenziale può essere spostato arbitrariamenteTUTTI i potenziali devono essere spostati

Se consideriamo anche il magnetismo e rapide variazioni nel tempo si possono anche spostare i potenziali in modo diverso

Spostarli in modo diverso da punto a puntoQuesta invarianza permette di derivare le leggi della forza elettromagnetica

INVARIANZA DI GAUGE

Vale per tutte le forze


Il Modello Standard: il Bosone di Il Modello Standard: il Bosone di HiggsHiggsPurtroppo ci sarebbe un grosso problema

Per funzionare il modello richiede che tutte le particelle siano senza massa

Si risolve il problema con l’introduzione del bosone di Higgs

Particelle acquistano massa attraverso l’interazione con il campo di HiggsPiù forte l’interazione maggiore la massa

Un esempio dovuto al fisico inglese David Millerper il ministro della scienza William Waldegrave

Higgs

H0


La scoperta del Bosone di La scoperta del Bosone di HiggsHiggsCon l’acceleratore LHC si fanno collidere protoni

collidono i gluoni che sono dentro i protoni

La particella prodotta decade in due fotoni γ o in due bosoni Z0

g

gHt

γ

γH t

HZ0

Z0

e+e−

μ−

μ+


Premio Nobel per la fisica 2013Premio Nobel per la fisica 20138 October 2013The Royal Swedish Academy of Sciences has decided to award the Nobel Prize in Physics for 2013 to

François EnglertUniversité Libre de Bruxelles, Brussels, Belgium

and Peter W. HiggsUniversity of Edinburgh, UK

“for the theoretical discovery of a mechanism that contributes to ourunderstanding of the origin of mass of subatomic particles, and whichrecently was confirmed through the discovery of the predictedfundamental particle, by the ATLAS and CMS experiments at CERN’s Large Hadron Collider”


L'Unificazione delle ForzeL'Unificazione delle Forze

Elettricità

Magnetismo

Luce

Decadimento β

Neutrini

Protoni

Neutroni

Pioni

Gravità terrestre

Gravità Celeste

Elettromagnetismo

Interazioni Deboli

Interazioni Forti

Gravitazione

Magnetismo

Elettricità

Luce

Neutroni

Protoni

Nuclei

Decadimento β

Neutrini

Gravità Terrestre

Gravità Celeste

InterazioniElettrodeboli

ModelloStandard

RelativitàGenerale

?Geometria

Spazio-Tempo

Maxwell

Fermi

Yukawa

Newton

Gauss,Ricci Curbastro

Einstein

Glashow, Weinberg, Salam

Wilczek, Gross,Politzer

t’Hooft, VeltmanHiggs

Cromodinamicaquantistica


La Nascita dellLa Nascita dell’’Universo: il Big BangUniverso: il Big BangSecondo la teoria del Big Bang l'universo ha avuto origine circa 14 miliardi di anni fa da una concentrazione estremamente elevata di energia

Dopo l'inizio l'Universo consisteva di una miscela di particelle elementari e radiazione in equilibrio

L'Universo ha cominciato a espandersi e a raffreddarsi

L'ipotesi del Big Bang origina dalla osservazione che tutte le galassie si allontanano una dall'altra (legge di Hubble)

È importante capire che ogni galassia si allontana da tutte le altre e che non esiste un centro dell'Universo

Per capire meglio l'espansione dell'Universo occorre discutere due concetti:

relazione fra Energia e Tempera-tura la radiazione di fotoni da parte di oggetti caldi


Energia e TemperaturaEnergia e TemperaturaLe molecole di un gas sono in continuo movimentoLe velocità non sono tutte ugualiUna molecola con velocità v ha una energia

Il grafico rappresenta la frazione di molecole che hanno la velocità in dato intervalloUna quantità importante è l'Energia Media <E>A livello microscopico la Temperaturaè definita come

212

E = mv

32

E = kT


L'Universo CaldoL'Universo CaldoDopo il Big Bang l'universo era estremamente caldoEsistevano solo particelle elementari:

quarks e antiquarksleptoni e antileptonifotoni e altri quanti (W, Z …)genericamente indicati con X

Due tipi di processiannichilazione di fermioni (e/o antifermioni) in bosoni

creazione di fermioni (e/o anti-fermioni) dai bosoni Fermione

Antifermione

Bosone X

2f f X+ →

+ → +X X f f


Espansione Espansione -- RaffreddamentoRaffreddamento

Nuclei: L'Universo è opaco

Si formano gli atomi

L'Universo diventa trasparente

Gli studi con gli acceleratori ci permettono di scoprire le leggi che descrivono i processi che

hanno luogo nell'Universo Primordiale

formazione dei protonifotoni, quark, leptoniW,Z,g,γ, quark, leptoni

X X f fγ + ++ → + +

0e X X− ++ →

f f γ γ+ → +


Radiazione di EnergiaRadiazione di EnergiaQualsiasi corpo a temperatura non nulla emette radiazione elettromagnetica: fotoniI fotoni emessi hanno diverse lunghezze d'onda (o energie o colori)Il grafico indica quanti fotoni sono emessi ad una data lunghezza d'onda

La distribuzione delle lunghezze d'onda (o anche il colore) dipende dalla temperaturadel corpo


Il Fondo Cosmico di MicroondeIl Fondo Cosmico di MicroondeScoperto da Penzias e Wilson nel 1963 presso i Bell Laboratories. Per questa scoperta ricevettero il premio Nobel nel 1978Si tratta di una radiazione elettromagnetica che ci giunge dal cielo da tutte le direzioni

L’energia dei fotoni è quella che avevano quando l’universo è diventato trasparenteLa distribuzione delle lunghezze d'onda è quella di un corpo nero alla temperatura T = 2.7o K


Quando l’universo è diventato trasparente era caldoi fotoni avevano la distribuzione del corpo nero

L'Universo si espande e si raffreddaA causa dell'espansione dell'universo la lunghezza d'onda dei fotoni aumenta

i fotoni “si raffreddano”

Dall'epoca del Big Bang a oggila temperatura dei fotoni si èridotta a 2.7o K

L'espansione dellL'espansione dell’’universouniverso

a quella temperatura


Lo Studio della Radiazione di FondoLo Studio della Radiazione di Fondo

La cosa sorprendente è che queste variazioni sono concentrate in zoneLe zone più chiare corrispondono a zone più calde dove la materia era più densaDa questi addensamenti sono nate le galassie

Gli studi più precisi della radiazione cosmica sono fatti con i satellitiIl satellite Planck misura la temperatura dei fotoni in funzione della posizione nel cieloCi sono delle piccolissime variazioni: qualche decina di milionesimi di grado


Ai confini dello Spazio e del TempoAi confini dello Spazio e del Tempo


EpilogoEpilogoGli esperimenti, le teorie e le idee presentate sono un veloce resoconto di delle tante straordinarie avventure intellettuali dell'uomo mai sazio di conoscenza

Gli sviluppi più recenti della Fisica delle Particelle e dell'Astrofisica hanno determinato una convergenza di queste discipline nel tentativo di comprendere le leggi fondamentali della Natura e la nascita dell'Universo

Un aspetto interessante delle imprese raccontate, non particolarmente evidente, è che sono il risultato della collaborazione di migliaia ( anche decine di migliaia) di scienziati appartenenti a centinaia di istituzioni differenti, di nazioni diverse

La leadership è possibile, oltre che per l’autorevolezza dei leader, anche perchè gli obbiettivi sono fortemente condivisi

Grazie per l’attenzione e ….

Buon Natale


EpilogoEpilogoGli esperimenti, le teorie e le idee presentate sono un veloce resoconto di delle tante straordinarie avventure intellettuali dell'uomo mai sazio di conoscenza

Gli sviluppi più recenti della Fisica delle Particelle e dell'Astrofisica hanno determinato una convergenza di queste discipline nel tentativo di comprendere le leggi fondamentali della Natura e la nascita dell'Universo

Un aspetto interessante delle imprese raccontate, non particolarmente evidente, è che sono il risultato della collaborazione di migliaia ( anche decine di migliaia) di scienziati appartenenti a centinaia di istituzioni differenti, di nazioni diverse

La leadership è possibile, oltre che per l’autorevolezza dei leader, anche perchè gli obbiettivi sono fortemente condivisi

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