AIF – Scuola di Storia della Fisica, 2005

La scoperta delle La scoperta delle particelle straneparticelle strane

Arturo RussoDipartimento di Fisica e Tecnologie

RelativeUniversità di Palermo

Le particelle elementari Le particelle elementari (1947)(1947)

Materia e radiazione

Protone (p),neutrone (n), elettrone (e), fotone ()

Forze nucleari Pione (mesone )

Anti-elettrone Positrone (e+)

Decadimento beta

Neutrino () (teorica)

Decadimento del pione

Muone (mesone ) e

I raggi I raggi cosmicicosmici (1947)(1947)

La scoperta delle particelle La scoperta delle particelle VV

( (George Rochester e Clifford Butler)George Rochester e Clifford Butler)

15 ottobre 1946

23 maggio 1947

(2 fotografie tra 5000)

Un mesone pesanteUn mesone pesante

Massa delle V 1000 me

Massa del pione 273 me

Massa del muone 207 me

Massa del protone1840 me

Una scoperta casuale ?Una scoperta casuale ?

Clifford Butler

The result of good fortune, good science and the right technique

(G. Rochester)

Il laboratorio di Il laboratorio di Blackett a Blackett a ManchesterManchester

Patrick Blackett

L. Janossy, D. Broadbent e G. Rochester

L'observatoire du Pic du L'observatoire du Pic du MidiMidi

Pic du MidiPic du Midi(Settembre 1949)(Settembre 1949)

Beppo OcchialiniPatrick Blackett

Il magnete al Pic du MidiIl magnete al Pic du Midi

Luglio 1950

La conferma dalla La conferma dalla California California (Novembre 1949)(Novembre 1949)

Carl Anderson

34 eventi di tipo V in 11.000 fotografie in camera a nebbia

30 eventi mostrano il decadimento di una particella neutra in due cariche

4 eventi mostrano il decadimento di una particella carica in una seconda particella carica più, presumibilmente, una neutra

6 eventi (tutti del primo tipo) a Pasadena,28 sulla White Mountain (3200 m s.l.m.)

Un'altra scoperta … o la Un'altra scoperta … o la stessa?stessa?

Cecil Powell

1950-51: si conferma

m 1000 me

La grande stagione dei La grande stagione dei "cosmiciens" (1947-1955)"cosmiciens" (1947-1955)

Montagnes, ballons, avions: le physiciens ont connu una dernière époque aventureuse, un dernier bain de nature, avant le grand enfermement dans le beton des accélérateurs

(La matière première, 1987)

Michel Crozon

La ricerca di un quadro La ricerca di un quadro coerentecoerente

(1950 – 1955)(1950 – 1955) La natura come laboratorio, spirito

d'avventura e disponibilità a lavorare in condizioni disagiate

Paziente lavoro di raccolta e interpretazione delle tracce, classificazione sistematica degli eventi, ricerca di una nomenclatura razionale

Confronto tra risultati ottenuti da diversi gruppi di ricercatori in convegni e congressi

Vari laboratori europei e americani impegnati in

un'attività che richiama lo spirito e i metodi del

naturalismo ottocentesco

La fisica dei raggi cosmici La fisica dei raggi cosmici in Europa negli anni '50in Europa negli anni '50

Scuola di formazione della nuova generazione di fisici sperimentali

Solidarietà e collaborazione internazionale

Orgoglio di fronte alla sfida dei grandi acceleratori americani

Due interpretazioni della Due interpretazioni della nascita della "big physics"nascita della "big physics"

Ad alta intensità di capitale negli Stati Uniti, sull'onda del progetto Manhattan (grandi laboratori e grandi macchine)

Ad alta intensità di lavoro nell'Europa che emerge dalle rovine della guerra (collaborazioni internazionali ed emulsioni nucleari)

I risultati del Pic du I risultati del Pic du MidiMidi

(1950 - 1952)(1950 - 1952)

Due tipi di particelle V neutre

(V°):

V°1 p +

(massa 2200 me)

V°2 +

(massa 800 me)

Due ipotesi sulle particelle V cariche:

V

oppure

V

(massa 1100 –1200 me)

Conferme per le V neutreConferme per le V neutre(Rochester conference 1952)(Rochester conference 1952)

I risultati del Pic du Midi per le V neutre sono confermati da quattro gruppi americani:

- Caltech (Carl Anderson e coll.)

- Indiana University (Robert Thompson e coll.)

- Berkeley (William Fretter)

- MIT (Bruno Rossi e coll.)

La camera "multiplate"La camera "multiplate"

W. Fretter (1951)

B. Rossi (1953)

Problemi per le V caricheProblemi per le V cariche

"Particelle […] che decadono in volo in camera a nebbia producendo una caratteristica traccia biforcuta a grande angolo"

(Rochester e Butler, 1953)

Dopo l'iniziale osservazione del 1947, altre ne erano state osservate da vari gruppi, ma le particelle cariche erano molto più rare di quelle neutre e le ipotesi molto più controverse.

Un decadimento a cascataUn decadimento a cascata

Y V01

V01 p

(Massa 2600 me)

Pic du Midi (1952) (confermato a Caltech)

Le particelle K degli Le particelle K degli emulsionistiemulsionisti(circa 1953)(circa 1953)

em 970 me

m 1125 me

m 900 - 1000 me

Jungfraujoch

Quale relazione tra le Quale relazione tra le particelle Vparticelle V in camera a in camera a nebbia e le particelle K nelle nebbia e le particelle K nelle emulsioni nucleari ?emulsioni nucleari ?

Probabilmente e V sono la stessa particella, caratterizzata da un decadimento in 3 particelle di cui una carica, probabilmente

Le particelle S di MITLe particelle S di MIT(1952-53)(1952-53)

33 eventi in 22.000 foto

Decadimento da ferma ("stopped")

Massa 1000-1500 me

Probabile decadimento:

Le conclusioni di Rossi e Le conclusioni di Rossi e coll.coll.

S = V =

Decadimento in 2 particelle, di cui una carica ( o )

La situazione si La situazione si presentava affascinante, presentava affascinante, ma nello stesso tempo ma nello stesso tempo caratterizzata da una caratterizzata da una enorme confusione !enorme confusione !

G. Rochester, 1989

Bagnères de BigorreBagnères de Bigorre(Luglio 1953)(Luglio 1953)

I nomi e le coseI nomi e le cose

Mesoni leggeri (L):

pione () e muone ()

Mesoni pesanti (K):

particelle di massa intermedia tra quella del pione e quella del protone (V, S, , , , ….)

Iperoni (Y): particelle di massa maggiore di quella del neutrone (Y, …)

Lettere greche maiuscole per gli iperoni e minuscole per i mesoni

Un primo quadro per gli Un primo quadro per gli iperoniiperoni

(1953 – 1954)(1953 – 1954)

V01: 0 p + (massa 2181 me)

Y:

(massa 2600 me)

p +

n + (massa 2300 me)

n + (da Brookhaven)

n + (scoperta nel 1957)

Quanti mesoni K?Quanti mesoni K?(La situazione a Bagnères de (La situazione a Bagnères de

Bigorre)Bigorre)

Dalle camere a nebbia

V2 (massa 971 me)

V (massa 1100-1200 me)

S (massa 1000 me)(da nuovi dati di MIT, una delle probabilmente )

Dalle emulsioni( 50 eventi)

(massa 966 me)

'(presumibilme

nte )

(massa 1125 me)

(massa 900-1000 me)

Particelle diverse o una Particelle diverse o una sola particella con diversi sola particella con diversi

modi di decadimento?modi di decadimento?

Le conclusioni di B. RossiLe conclusioni di B. Rossia Bagnères de Bigorrea Bagnères de Bigorre

"Due particelle "Due particelle dovrebbero essere dovrebbero essere considerate considerate identiche finché identiche finché non si sarà provato non si sarà provato che sono che sono differenti"differenti"B. Rossi, G. Bernardini, E.

Fermi

Quindi ….Quindi ….

Un solo mesone K carico con due modi di decadimento:

Un mesone K neutro:

V :

La particella non esiste

Ma ….Ma ….

I fisici di Bristol sono ragionevolmente convinti dell'esistenza della particella

La massa della particella (1125 me) è maggiore di quella della particella (966 me).

Eccetera ….

Nuovi risultati Nuovi risultati (1954-55)(1954-55)

Da MIT sulle particelle S

Dagli emulsionisti sui mesoni K

Dalla camera a nebbia di Princeton a Echo Lake (Colorado)

Echo Lake

e ee e

(massa 970 me)

Di conseguenza….Di conseguenza….

Si conferma l'esistenza della particella Si conferma l'esistenza della particella e si può anche concludere chee si può anche concludere che

Un unico mesone pesante Un unico mesone pesante con tre stati con tre stati di carica che decade in una coppia di di carica che decade in una coppia di

pioni:pioni:

Il nuovo quadro dei Il nuovo quadro dei mesoni K carichimesoni K carichi

Simbolo Decadimento

Massa

966 me

970 me

1125 me

Il "Il " puzzle" puzzle"

Le particelle Le particelle e e ::

- hanno la stessa massahanno la stessa massa

- hanno la stessa vita mediahanno la stessa vita media

- decadono entrambe producendo decadono entrambe producendo pioni?pioni?

Sono la stessa particella?Sono la stessa particella?

No, perché lo stato di No, perché lo stato di tre pioni prodotto dal tre pioni prodotto dal decadimento della decadimento della differisce in momento differisce in momento angolare e/o parità angolare e/o parità dallo stato di due dallo stato di due pioni prodotto dal pioni prodotto dal decadimento della decadimento della

Richard Dalitz

Dalitz plot

In emulsioni ad alta quota (palloni)

In camere a nebbia ad alta

quota (montagna)

Ma è vero che la parità si Ma è vero che la parità si conserva nei decadimenti conserva nei decadimenti

prodotti da interazione prodotti da interazione debole ?debole ?

Nessuna Nessuna prova prova sperimentale sperimentale !!Tsun Dao Lee

Chen Ning Yang(1956)

No, la parità No, la parità non si non si conserva nelle conserva nelle interazioni interazioni deboli !deboli !

Chien-Shiung Wu

Richard Garwin

Leon Lederman

n p + e

e

p

Abraham Abraham PaisPais

"Con l'arrivo della primavera del 1957 risultò del tutto certo

che parità [P] e coniugazione di carica [C] sono violate nei processi dovuti a interazioni

deboli ovunque si guardasse. E inoltre gli effetti erano

macroscopici"

Sembrava invece confermata l'invarianza PC, ovvero la simmetria rispetto a riflessione spaziale e contemporanea coniugazione di carica. Nel 1964, arriverà da Brookhaven che anche questa simmetria viene violata nel decadimento dei mesoni K neutri.

L'arrivo di L'arrivo di "Camus“"Camus“

(1954)(1954)

Charles Peyrou

Bernard Gregory

Il nuovo apparato sperimentale dell’Ecole Polytechnique al Pic du Midi trova ottima evidenza dell’esistenza di una particella K:

K + m 935 me)

certamente diversa dalla degli emulsionisti di Bristol (che decade in tre corpi e ha massa maggiore)

Quanti mesoni K carichi?Quanti mesoni K carichi?

Simbolo Decadimento

Massa

’ 966 me

970 me

1125 me

940 - 950 me

Si può semplificare?Si può semplificare?

Pur mantenendo la differenza tra e , sembrava che si potesse ricondurre tutto a due mesoni K:

3

Ma la , con la sua grande massa non sembrava potesse rientrare in questo schema semplificato.

La sfida degli La sfida degli emulsionisti europei:emulsionisti europei:

Risolvere il problema una Risolvere il problema una volta per tutte prima volta per tutte prima

dell'arrivo degli dell'arrivo degli acceleratori americaniacceleratori americani

L. Leprince-L. Leprince-RinguetRinguet

"Dobbiamo far presto, dobbiamo correre senza rallentare il ritmo perché siamo incalzati dalle macchine […] Sappiamo che potremmo andare a riposarci in campagna per sei mesi e al nostro ritorno sapremo da Brookhaven la verità sui problemi di cui abbiamo discusso […]Ci troviamo, credo, nella posizione di un gruppo di alpinisti che scalano una montagna molto alta e ci inerpichiamo in condizioni sempre più difficili. Ma non possiamo fermarci a dormire perché, proveniente dal basso, sotto di noi, si sta sollevando una marea, un'inondazione, un diluvio che cresce continuamente e ci costringe a salire sempre più in alto."

Un problema di “range”Un problema di “range”

In un decadimento a due corpi () con una particella neutra di massa nulla (), lo spettro dei muoni è sostanzialmente monoenergetico, corrispondente a un range ~ 90 gr/cm2. E’ quello che hanno osservato al Pic du Midi e a Echo Lake (MIT).

In un decadimento a tre corpi (), lo spettro è continuo, e così anche la distribuzione dei range dei mesoni. E’ quello che hanno osservato gli emulsionisti di Bristol.

Il G-Stack experimentIl G-Stack experiment(ottobre 1954)(ottobre 1954)

C. Powell e G. Occhialini

Per osservare un muone che attraversa ~ 100 gr/cm2 di materia prima di decadere occorrono almeno 20 cm di emulsione nucleare.

L’avventura degli L’avventura degli esperimenti in esperimenti in pallonepallone(1952, 1953, 1954)(1952, 1953, 1954)

I risultati del G-StackI risultati del G-Stack

Decadimento Frequenza (%)

Massa (me)

e

Un unico mesone KUn unico mesone K

Si conferma così la sostanziale identità di e e quindi, dopo la soluzione del puzzle e l’arrivo dei primi risultati dal Bevatrone di Berkeley, di tutti i mesoni .

Arriva il tempo dei teorici Arriva il tempo dei teorici e delle grandi macchine.e delle grandi macchine.La grande stagione dei La grande stagione dei "cosmiciens" nella fisica "cosmiciens" nella fisica

delle particelle elementari delle particelle elementari è terminataè terminata