ORSA - Corso di Astronomia

Giuseppe Lo Presti CERN – European Organization for Nuclear Research, Geneva

Dall’infinitamente grande all’infinitamente piccolo

La Fisica del CERN e le conseguenze per l’Astronomia

ORSA - Corso di Astronomia di Base Palermo, 22 Novembre 2011

Sommario

I PARTE: la Fisica del CERN Acceleratori e collisori di particelle Montagne di dati… II PARTE: Astronomia ed Astrofisica al CERN Il rivelatore AMS a bordo della ISS Gli esperimenti ALICE e LHCb

Giuseppe Lo Presti 2 ORSA - Corso Astronomia

Il CERN in cifre 1954: anno di fondazione 20 Stati membri, 6 Stati osservatori + UNESCO e UE 60 Paesi non membri collaborano con il CERN 2950 persone lavorano al CERN come membri interni,

altre 10 000 da istituti di tutto il mondo 850 MEUR di budget annuale (2010). Italia: 100 MEUR 5 Premi Nobel

3 ORSA - Corso Astronomia Giuseppe Lo Presti

Piccole e grandi scale

Gli strumenti del CERN Per fare ricerca in Fisica

delle particelle, occorrono: Acceleratori Rivelatori

25% del personale

5 ORSA - Corso Astronomia Giuseppe Lo Presti

ORSA - Corso Astronomia

Gli strumenti del CERN …E per costruirli, occorre una

grande varietà di tecnologie! Ingegneria civile, materiali

speciali, super frigoriferi, magneti, vuoto, informatica e telematica, pompieri, ...

75% del personale!

Giuseppe Lo Presti 6

Cosa sappiamo…

7

…e cosa vogliamo sapere


Da dove viene la massa? Peter Higgs Di che cosa è fatto l’Universo?

Il 96% del “contenuto” è ancora sconosciuto! Ogni particella di materia ha una

controparte di antimateria Dov’è finita l’antimateria?


La prima antiparticella, il positrone (antielettrone), venne teorizzata da Paul Dirac nel 1930 e scoperta due anni dopo!

Grandi strumenti per minuscole particelle…

L’unico modo a noi conosciuto per creare nuove particelle è: Prendere una particella carica e stabile e

fornirle energia (cinetica) accelerandola Farla scontrare con un bersaglio fisso o, meglio,

con un’altra particella che viaggia in direzione opposta

Una parte dell’energia disponibile nell’urto può convertirsi in massa (E=mc2), ovvero in nuove particelle

La collisione di particelle è anche un modo per ricreare in laboratorio condizioni di densità di energia vicine al Big-Bang

Per accelerare di più ocorrono acceleratori sempre più grandi e più potenti… Giuseppe Lo Presti 9 ORSA - Corso Astronomia

Il Large Hadron Collider Lago di Ginevra

SPS

CERN

10

Il Large Hadron Collider Lago di Ginevra

SPS

CERN

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Il Large Hadron Collider ~

100

m

12

Il tunnel di LHC

Prima di entrare nel rivelatore

Particolare dei magneti

Spire superconduttrici

Canale per le particelle

L’alimentazione elettrica…

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L’anello di 27 km è sensibile a cambiamenti di lunghezza dell’ordine di 1 mm

Maree Correnti

parassite

Temporali

LHC

Precisione!

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Tsunami lontani

I Rivelatori di LHC

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ATLAS CMS

LHCb

CMS: la calata del gigante…

Alcuni esempi di cosa vediamo oggi


Una montagna di dati …Ma è quello che cerchiamo?

Per di più, facciamo 500M di collisioni al secondo per trovare al massimo qualche segnale del Bosone di Higgs la settimana!

Come cercare una persona tra una popolazione di 1000 mondi…


E l’elevatissimo rumore di fondo obbliga a raccogliere dati per molto tempo, prima di avere misure statisticamente significative

Ecco come appare una tipica collisione…

ma noi vogliamo trovare questo segnale!

ORSA - Corso Astronomia Giuseppe Lo Presti 24

Il flusso di dati di LHC

200-400 Hz (collisioni/sec) da registrare per ciascun esperimento

Dimensione di un evento: ~ 1 MB per ATLAS o CMS

~ 10 MB per ALICE in collisioni Pb-Pb Flusso totale di dati da LHC a disco, inclusa

ricostruzione online: ~ 2,5 GB/sec

1014 eventi raccolti all’anno 20 PB (1015 B) di dati all’anno Una colonna di CD alta 25 Km!

100 anni di film in HD (e la filmografia mondiale non arriva ancora a 100 anni…)

Concorde (15 Km)

Pallone aerostatico (30 Km)

Colonna di CD prodotti da LHC in 1 anno! (~ 25 Km)

Monte Bianco (4.8 Km)


La “Griglia” per elaborare i dati Una interconnessione di centri di calcolo a livello

mondiale per condividere risorse di calcolo, di archiviazione e di rete Il CERN è il centro stella Non solo per la Fisica!

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Fine Prima Parte. Domande?


Altre informazioni CERN TV: www.youtube.com/cern Bandi e stage: www.cern.ch/jobs

La sala di controllo del CERN il 30 Marzo 2010, primo giorno di fasci in collisione a 3,5 TeV in LHC


II PARTE: Astronomia al CERN


Alpha Magnetic Spectrometer

AMS-02: Un rivelatore di particelle nello spazio Una collaborazione CERN - INFN - NASA Alla caccia di antimateria, materia oscura, e

quant’altro… Come? Con un supermagnete permanente circondato

da tanta elettronica Per inciso, lungo la vita del

progetto si è passati da un magnete permanente ad uno superconduttore, e poi nuovamente a un magnete permanente…





Guarda caso, l’elettronica è quasi identica a quella dei rivelatori di LHC…

Solo deve rispettare criteri più restrittivi dovendo operare sulla ISS

I dati sono trasmessi a terra al CERN a 10 Mbps

Imbarco a Ginevra, in partenza per il centro

ESTEC dell’ESA, presso Amsterdam

A Large Ion Collider Experiment

ALICE: simulare il Big Bang in laboratorio Collisioni Pb-Pb invece che pp Immaginate due dischi schiacciati che collidono…



ALICE: simulare il Big Bang in laboratorio Collisioni Pb-Pb invece che pp Immaginate due dischi schiacciati che collidono…



Cosa si è osservato finora? Indizi della presenza di un quinto stato della

materia, il Plasma di Quark e Gluoni (QGP) Questa è la materia presente dentro le Pulsar

Addirittura anche interi nuclei di Anti-elio! Il Tevatron a Chicago aveva annunciato questa

scoperta e ALICE l’ha confermata poco dopo

E adesso? In questi giorni di nuovo collisioni Pb-Pb, e anche

p-Pb: come sparare un proiettile contro un atomo Giuseppe Lo Presti 33 ORSA - Corso Astronomia

LHC beauty-quark experiment

LHCb: alla caccia dell’asimmetria tra materia ed antimateria Osservando collisioni pp sotto un angolo molto

piccolo, quasi lungo il fascio stesso Rivelatore aperto, non ermetico Il “piccolo” della famiglia di LHC, ma con la migliore

risoluzione sulle particelle a basso angolo

Studio di particelle esotiche come i mesoni B, formati da un quark ed un antiquark Una su ~100 milioni decade in modo da violare la

simmetria Giuseppe Lo Presti 34 ORSA - Corso Astronomia

Cosa ci aspettiamo adesso?

In LHC, i grandi esperimenti hanno raccolto 5 fb-1,

ben più dei dati previsti per quest’anno Leggasi femtobarn inversi: www.tvspace.it/journal/?p=1808

L’analisi completa di tutti questi dati porterà

certamente a qualche scoperta Ad esempio, o troviamo il famigerato Bosone di Higgs,

o lo escludiamo del tutto – e i teorici possono rimboccarsi le maniche per proporre alternative

Restate in ascolto… Giuseppe Lo Presti 35 ORSA - Corso Astronomia

http://www.tvspace.it/journal/?p=1808

Per finire…

A che serve tutto questo?

…Non (solo) a pagare gli stipendi ai ricercatori…

Brevissima panoramica sulle ricadute pratiche: in Medicina in Ingegneria etc.


Ricadute pratiche: Medicina

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Risonanza Magnetica Funzionale (fMRI) Tomografia ad Emissione di Positroni (PET)

Adronterapia

Ancora ricadute pratiche Ingegneria

Il Web, trattamento dei rifuti radioattivi, rivelatori per controlli doganali

Bioinformatica Studio del genoma o del proteoma umano

Nanotecnologie Progettazione di nuovi materiali su scala

molecolare Ambiente

Simulazioni e previsioni meteo, osservazioni della Terra, gestione disastri naturali, …


Tim Berners-Lee

Grazie per l’attenzione! Domande?

“Magic is not happening at CERN, magic is being explained at CERN” (Tom Hanks)

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