MasterClasses 2011:MasterClasses 2011:Viaggio nel mondo Viaggio nel mondo

delle particelledelle particelle

Lecce,22 marzo 2011

Hands on Particle PhysicsHands on Particle Physics

Benvenuti nell’affascinante mondo della Fisica delle Particelle Elementari !Come tanti altri ragazzi da vari istituti scolastici europei, oggi farete con noi un viaggio nell’infinitamente piccolo.

http://www.physicsmasterclasses.org

Michele Bianco , Edoardo Gorini , Margherita Primavera , Andrea VenturaAnnalisa De Lorenzis , Luigi Longo , Marilea Reale

Dipartimento di Fisica dell’Università del Salento – Sezione di Lecce dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare

International Masterclasses for High School Students

Dall’infinitamente grandeDall’infinitamente grandeall’infinitamente piccoloall’infinitamente piccolo

La Fisica delle Particelle Elementari permette di studiare l’Universo, da dimensioni <10-16 m fino alle scale intergalattiche (>1025 m)

Cosa vediamo……e come

lo vediamo

Qualche nozione preliminareQualche nozione preliminare

c

v

21

1

2

0 cmE cmp 0E

pc

420

222 cmcpE Energia E misurata in eV

Momento p misurato in eV/c

Massa a riposo m0 misurata in eV/c2

Quanta energia è 1 eV? 1 eV = 1.6·10-19 J 1 eV/c2 = 1.8·10-36 kg mape = 1 g = 5.8·1032 eV/c2, vape = 1 m/s Eape = 10-3 J = 6.25·1015 eV

ELHC = 14 TeV = 14·1012 eV… ma di un solo protone! Con 1014 protoni

da 14 TeV 108 J, come un camion da 100T che va a 120 km/h

Qualche lunghezza tipica:1 nm = 10-9 m (lunghezza d’onda luce verde: 500 nm)1 A = 10-10 m: dimensione dell’atomo1 fm = 10-15 m: dimensione del protone

La storia dell’UniversoLa storia dell’Universo

Le nostre attuali conoscenze portano a una coerente descrizione dell’universo e della sua evoluzione nei sui 14 miliardi di anni

I costituenti “ultimi” della I costituenti “ultimi” della materiamateria

Da sempre l’uomo ha cercato di ricondurre la realtà circostante a un piccolo numero di costituenti.

Il primo successo lo si deve a Mendeleev che inserisce gli elementi allora noti nella Tavola periodica degli elementi chimici.

Questo schema evidenzia la

periodicità delle loro proprietà. L’esistenza di tale simmetria

suggerisce una possibile struttura

interna

La struttura atomicaLa struttura atomica

Dal 1895 al 1900:• scoperta dei raggi X (W. Roentgen)• scoperta della radioattività naturale (P.&M. Curie, H. Becquerel)• scoperta dell’elettrone (J. J. Thomson)

Nel modello di Thomson:• un numero Z di elettroni• una distribuzione continua di cariche positive

Esperimento di Rutherford

??

Cosa tiene unito l’atomo?Cosa tiene unito l’atomo?

L’interazione (o forza) elettromagnetica avviene tra particelle cariche, come protoni e elettroni tramite lo scambio di fotoni.

protone p elettronee

fotone

L’Elettrodinamica Quantistica (QED) è una teoria di grande successo capace di descrivere quantitativamente (e prevedere) tali fenomeni con grande precisione.

Il nucleo atomicoIl nucleo atomico

• Negli anni successivi si scoprì l’esistenza degli isotopi (elementi con lo stesso numero di elettroni ma diversa massa)• Problemi con il momento angolare intrinseco (spin) dei nuclei

Anche il nucleo è un sistema composto da Z protoni e da A-Z neutroni

Ma in presenza della sola forza

elettromagnetica non potrebbe

essere stabile!

La forza elettromagnetica non può tenere uniti i nuclei atomici poiché i protoni si respingerebbero e i neutroni hanno carica nulla. È stata introdotta l’interazione forte.

Fenomeni di radioattivitàFenomeni di radioattività

In natura vengono osservate numerose transizioni da nuclei instabili a nuclei stabili più leggeri, con conseguente emissione di vari tipi di radiazione

• Transizione : emissione di nuclei di elio (formati da due protoni e due neutroni)• Transizione : emissione di un elettrone (e–) e di un neutrino ()• Transizione : emissione di radiazione elettromagnetica molto energetica (fotoni)

Scoperta dell’antimateriaScoperta dell’antimateria

Se una particella e la sua antiparticella interagiscono, si annichilano producendo energia

E = 2mec2

e+

e –

e–e+

Avviene anche il contrario: un fotone può produrre una coppia e+e–

A conferma della teoria di Dirac che prevedeva stati a energie negative, nel 1931, dallo studio dei raggi cosmici, Anderson scoprì il positronepositrone, l’antiparticella dell’elettrone

A ogni particella corrisponde un’antiparticella, con medesima massa e vita media. Talvolta coincide con la particella stessa (0,)

Una miriade di particelleUna miriade di particelle

Dagli anni ’30 in poi sono state scoperte tantissime nuove particelle, sia nelle interazioni dei raggi cosmici, sia dalla collisione di fasci prodotti dagli acceleratori.

Esse si distinguono in due categorie principali: Leptoni (che non agiscono in modo forte) Adroni (che risentono dell’interazione forte)

Gli adroni possono classificarsi in sistemi aventi simmetrie

Anche in questo caso potrebbe esserci una struttura interna

L’ipotesi dei quarkL’ipotesi dei quark

quarks

23

e+

13 e–

carica

uu

dd

Esempi: neutrone e protone:– BarioniBarioni ( qqq )– AntibarioniAntibarioni ( qqq )– MesoniMesoni ( qq )

_ _ _

_

pp

nn

1962: il Modello a quark spiegò le simmetrie osservate. Carica elettrica frazionaria (+2/3 e -1/3) Tre stati diversi (colori) per ogni quark Adroni composti da 3 quark (barioni) o

da coppie quark-antiquark (mesoni). Non ci sono quark liberi (sono confinati negli adroni)

Verso l’infinitamente piccoloVerso l’infinitamente piccolo

Tre generazioniTre generazionidi quark e di leptonidi quark e di leptoni

Nel frattempo, dopo numerose scoperte, ci si accorse che oltre ai quarks uu e dd (componenti di protoni e neutroni) e agli elettroni ee e i loro neutrini e e , esistono altre due generazioni di quark e di leptoni, con analoghe proprietà, ma masse crescenti.

mas

sa

Materiaordinaria

Le interazioni fondamentaliLe interazioni fondamentali

Riassumendo, esistono quattro forze fondamentali : Gravitazionale Debole Elettromagnetica Forte

Sono mediate dallo scambio di particelle

Determinano la coesione della materia e il suo decadimento

Il Modello StandardIl Modello Standard

1967: S. Weinberg e A. Salam (e in modo indipendente anche S. Glashow) unificarono le interazioni elettromagnetica e debole.

La mediazione dell’interazione e.m. è affidata al fotone (), neutro e senza massa, quella dell’interazione debole richiede invece tre “bosoni” massivi (W+, W–, Z).

Per spiegare la massa non nulla dei suddetti bosoni, la teoria prevede il meccanismo di meccanismo di HiggsHiggs (rottura spontanea della simmetria), da attribuire a un altro bosone neutro, l’Higgs (H) tuttora ricercato da tutti gli esperimenti

Il decadimento del neutroneIl decadimento del neutrone

W

e–

d u

Le interazioni tra le particelle elementari sono

descrivibili tramite i diagrammi di Feynman

Cosa accade in una collisioneCosa accade in una collisione

Ciascun protone ha energia:

p è il momento• È tanto più alto quanto maggiore è la velocità

c è la velocità della luce

E la celebre equazione di Einstein dice:

2E mc

… pertanto …

22420 cpcmE

protone

Energia: E1 Energia: E2

protone

Il caso di LHCLHC: protone-protone

Cosa accade in una collisioneCosa accade in una collisione

protone

Energia: E1 Energia: E2

protone

Dall’energia 2E si

formano nuove

particelle

(note o non note)

Prima: EEEEtot 221

2E mDopo:Più elevata è

l’energia nella collisione, e

con maggior probabilità si creano

nuove particelle

Decadimento della ZDecadimento della Z

Tra le particelle prodotte nelle collisioni può esserci la Z. Come tutte le particelle massicce, la Z decade, ma è impossibile sapere in anticipo in quale tipo di particelle decadrà.

Si può solo dire che la Z ha una certa probabilità di decadere in un certo tipo di particelle, e tali probabilità di decadimento possono essere calcolate teoricamente nel Modello Standard

Una Z può decadere in: due elettroni (Z0→ e+ + e-)

due muoni (Z0→ μ+ + μ-) due leptoni tau (Z0→ + + - )

due neutrini (Z0→ + ) (=e, μ, )

due quark (Z0→ q + q ) (q=u,d,c,s,b ma non t che è troppo pesante)

~3,3 %

~3,3 %

~3,3 %

~20 %

~70 %

~10 %

INVISIBILE!INVISIBILE!

Decadimento della ZDecadimento della Z

Oggi cercheremo di individuare i decadimenti della Z in coppie di muoni o in coppie di elettroni.

Scorreremo un elevato numero di eventi reali registrati all’acceleratore LHC, e tra questi dovremo trovare i segnali di Ze e e di Z

Vi saranno anche eventi simulati con particelle finora mai osservate!

Cinematica dei decadimentiCinematica dei decadimenti

Ogni particella ha una quantità di moto (vettoriale) p ed un’energia (scalare) E pari a

In un decadimento, ad esempio Z→ + – , quantità di moto e energia DEVONO conservarsi.

Ciò deve essere vero in qualsiasi sistema di riferimento, ed in particolare in quello in cui la Z è ferma

La massa invarianteLa massa invariante

L’equazione

può essere riscritta come

Pertanto se conosciamo la cinematica delle particelle finali (cioè le loro quantità di moto, le energie e chiaramente le loro masse), siamo in grado di determinare la massa della particella decaduta.

Considerando la cinematica di coppie di leptoni-antileptoni possiamo verificare l’ipotesi che esse provengano proprio dal decadimento della Z … o di “nuove particelle”!

Il Modello Standard non bastaIl Modello Standard non basta

Il Modello Standard finora ha retto a moltissime verifiche sperimentali, ma ancora non risponde a tante domande:– Qual è l’origine delle masse delle particelle?– Il bosone di Higgs esiste?– Perché l’ultimo dei quark (il top) ha una massa così alta?– Perché elettrone e protone hanno in modulo la stessa carica?– Perché ci sono 3 famiglie di leptoni, e altrettante di quark?– Perché nell’universo la materia prevale sull’antimateria?– Le forze elettrodebole e forte sono unificabili alla gravità?– … ?

Il Modello Standard potrebbe essere solo una parte di qualche teoria più grande, rivelabile solo a energie maggiori di quelle indagate fino ad oggi, dunque alcuni TeV (1 TeV = 10(1 TeV = 101212 eV) eV)

M. Bianco 26

• La SupersimmetriaSupersimmetria (SUSYSUSY), tra le teorie più accreditate• Nuovi bosoni vettori massivibosoni vettori massivi (WW/ ZZ)

qq

qq

ZZ′′

X

X

X

Y

Y

Y

• Particelle esotiche long-livedesotiche long-lived• I micro-buchi nerimicro-buchi neri

Graviton (G)

Recoil

pp

• Le Extra-DimensionsExtra-Dimensions

Possibili scenari oltre il Possibili scenari oltre il Modello StandardModello Standard

Verso nuove grandi Verso nuove grandi scopertescoperte

Ci vuole un acceleratore di particelle per Ci vuole un acceleratore di particelle per poter investigare la regione poter investigare la regione multi-TeV:multi-TeV:

LHCLHC (Large Hadron Collider)(Large Hadron Collider)

Il gruppo ATLAS Il gruppo ATLAS di Lecce lavora di Lecce lavora da molti anni a da molti anni a

questo progettoquesto progetto

Cosa tiene unito il nucleo?Cosa tiene unito il nucleo?

La Cromodinamica Quantistica (QCD) è una teoria basata su una simmetria tra 3 “colori” (rosso, blu, verde) che caratterizza i quark.

Perché decade il neutrone?Perché decade il neutrone?

L’interazione forte è troppo intensa per spiegare il lungo tempo di decadimento del neutrone:

È necessario introdurre un’interazione debole che spieghi questo fenomeno e i decadimenti di altre altre particelle. Essa è mediata dai “bosoni vettori” W+, W–, Z.

Distribuzione di Distribuzione di massa invariantemassa invariante

La massa invariante non assume un singolo valore!

La larghezza di questa distribuzione dipende da due fattori La larghezza

intrinseca della particella (tanto maggiore tanto è breve la vita media)

La risoluzione del rivelatore nella misura delle particelle finali