Paolo Gambino 3/3/2008 1 Perché LHC? Breve viaggio nella fisica delle particelle Paolo Gambino...
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Paolo Gambino 3/3/2008 1
Perché LHC?Perché LHC?Breve viaggio nella fisica delle Breve viaggio nella fisica delle
particelleparticelle
Paolo Gambino Università di Torino
Paolo Gambino 3/3/2008 2
Piccolo prologo Piccolo prologo riduzionistariduzionista
Esistono leggi fisiche più fondamentali di altre?
Certo! I fenomeni naturali possono essere spiegati almeno in principio da una catena di spiegazioni causali
Alla cui base sono una serie di leggi fondamentali: Newton spiega Keplero, la MQ spiega le proprietà atomiche e
molecolari, anche se non sappiamo predire quelle del DNA
Nella storia della fisica ciò che è fondamentale abbraccia un arco sempre più ampio di fenomeni
unificandoli
E’ sorprendente (per me) ma funziona!
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L’unificazione dei fenomeni fisici
Primo es: Newton che con la sua teoria gravitazionale unifica (descrive con le stesse leggi) fenomeni terrestri e celesti
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Ricerca di semplicità e costituenti elementariRicerca di semplicità e costituenti elementari
Oggi la fisica delle particelle può fornire la chiave per chiarire alcuni aspetti delle leggi fondamentali
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Le interazioni Le interazioni fondamentalifondamentali
Le particelle di materia interagiscono tra loro scambiandosi bosonila forza può essere attrattiva o repulsiva
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Le 4 interazioni Le 4 interazioni fondamentalifondamentali
elettromagnetiche
deboli forti gravitazionali
Forza elettromagnetica• tiene insieme atomi e molecole• spiega tutti i fenomeni em & ottici• raggio d’azione infinito• schermata a grandi distanze• mediata dal fotone
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Paolo Gambino 3/3/2008 7
Le equazioni di Maxwell (1864)
Unificando elettricità e magnetismo, Maxwell spiega la natura della luce:l’ottica diventa una branca dell’elettromagnetismo
Con le sue eq. inizia l’abbandono del meccanicismo in fisica
F=4/c J
F=0
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Le interazioni Le interazioni debolideboli
Decadimenti β Decadimento del muone
All’origine di radioattività naturale, sono deboli solo a bassa energiamediate da W e Z, raggio d’azione molto piccolo: il W e lo Z hannomassa pari a 80 e 90 masse del protone. Distinguono tra particelle
destrorse e sinistrorse (violano la parità)
Paolo Gambino 3/3/2008 9
Le 4 interazioni Le 4 interazioni fondamentalifondamentali
elettromagnetiche
deboli forti gravitazionali
elettrodeboliMODELLO
STANDARD
Non c’è ad oggi evidenza di una struttura dell’elettrone e dei quark
Tengono insieme i nuclei atomiciconfinano i quark nei protoni e neutronisono mediate da gluonisi indeboliscono a piccole distanze
Paolo Gambino 3/3/2008 10
Le 4 interazioni fondamentali
elettromagnetiche
deboli forti gravitazionali
Relatività generaleEinstein 1916
Non esiste una teoria quantistica consistente
della gravitazione
Sono molto molto più deboli delle altre interazioni
Paolo Gambino 3/3/2008 11
Le 4 interazioni Le 4 interazioni fondamentalifondamentali
elettromagnetiche
deboli forti gravitazionali
elettrodeboliMODELLO
STANDARD
GUTs?
Stringhe?
tutte le interazioni dettate da un principio di simmetria(simmetria di gauge)
E’ possibile unificare tutte le forze utilizzando simmetrie più ampie?
Paolo Gambino 3/3/2008 12
SimmetrieSimmetrieIn fisica parliamo di simmetria quando un sistema è invariante
rispetto a una certa trasformazione (per es di coordinate)Le simmetrie possono essere discrete
oppure continue
A ogni simmetria continua corrisponde la conservazione di una grandezza fisica. Le simmetrie dello spazio tempo determinano le costanti
del moto: inv. per traslazioni conservazione del momento
Paolo Gambino 3/3/2008 13
La simmetria detta la La simmetria detta la dinamicadinamicaE’ inevitabile che le leggi fisiche soddisfino certe simmetrie
(inv per traslazioni, rotazioni…) Ma oggi pensiamo che la simmetria determini la forma delle leggi fondamentali della fisica
Un procedimento simile sta alla base della relatività generale (1916):postula l’invarianza delle leggi di natura per cambiamenti locali di
coordinate spazio-temporali (principio di equivalenza)
Il modello standard è una teoria di gauge locale in cui l’invarianza èrispetto a rotazioni locali generalizzate in uno spazio interno
In teoria relativistica dei campi l’invarianza per un cambio di fasecorrisponde alla conservazione della carica elettrica
(x) e i(x )(x)
(x) e i(x) GLOBALE Conservazione carica
LOCALE elettromagnetismo
La richiesta di invarianza per cambiamenti locali di faseimpone l’accoppiamento con il campo elettromagnetico
Paolo Gambino 3/3/2008 14
Materia e quanti Materia e quanti d’interazioned’interazione
Elettromagnetica
debole
forte
gravitazionale
FE
RM
ION
I spin
1/2B
OS
ON
I sp
in 1
o 2
doppietti elettrodeboli: le due particelle sinistrorse sono manifestazioni diverse di una stessa particella
L L L
Paolo Gambino 3/3/2008 15
3 generazioni:3 generazioni: lo zoo delle particelle ridotto a mattoni lo zoo delle particelle ridotto a mattoni
fondamentalifondamentali
A prima vista solo la prima famiglia entra nella vita di tutti i giorni
Raggi cosmici
Per osservare i mattoni più pesanti sono necessari gli acceleratori
Paolo Gambino 3/3/2008 16
Due strade complementari per osservare gli effetti di nuove
particelle
Produzione diretta Ricerca indiretta
Gli effetti virtuali (loops) di particellepesanti sono soppressi ma possonoessere misurati
Storicamente segnali indiretti hannosovente anticipato scoperte dirette(charm, top...)
top
Higgs
Paolo Gambino 3/3/2008 17
Ricerche indirette di nuoveparticelle sono come le ricerche indirette di buchi neri attraverso i loro effetti gravitazionali sul motodelle galassie
richiedono misure molto precisee calcoli altrettanto precisi
Paolo Gambino 3/3/2008 18
La produzione di particelle pesantirichiede acceleratori sempre più potenti
Paolo Gambino 3/3/2008 19
LEP e LHC al CERN di Ginevra LEP e LHC al CERN di Ginevra
Paolo Gambino 3/3/2008 20
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ATLAS CMS
ALICELHCb
LHC Experiments
Paolo Gambino 3/3/2008 21
La lezione di La lezione di LEPLEP
LEP non ha scoperto nuove particelle ma ha confermato leinterazioni di gauge del MS con una precisione del 0.1%
Oggi crediamo che la simmetriadi gauge sia corretta e abbia unsignificato profondo nonostantesia incompatibile con le masse
Paolo Gambino 3/3/2008 22
La simmetria nascostaLa simmetria nascostaIl MS unifica interazioni deboli & elettromagnetiche,
sebbene esse abbiano raggio d’azione molto diverso...
La simmetria che le unifica è nascosta!
In natura è piuttosto comune che lo stato a più bassa energia non sia quello simmetrico: es. ferromagnete sotto la temperatura di Curie, l’orbita della terra non è simmetrica…
Paolo Gambino 3/3/2008 23
Rottura Rottura spontaneaspontanea di di simmetriasimmetria
Lo stato di minima energia (il vuoto) non è simmetrico:
la simmetria è nascosta
Paolo Gambino 3/3/2008 24
Solo ad alte energie la simmetria nascosta diventa evidente
Paolo Gambino 3/3/2008 25
Il mistero dell’Higgs Il mistero dell’Higgs
m≠0 <0|X|0>≠0
Il vuoto deve perciò avere certe proprietà
Deve esistere un qualcosa X che rompe la simmetria del vuotoe interagendo con le particelle dà loro massa
Può essere un nuovo campo elementare (BOSONE di HIGGS)o la manifestazione di una nuova interazione (technicolor)
Abbiamo indicazioni a favore del bosone di Higgs. La massa dell’Higgs è l’ultimo parametro sconosciuto del MS,
deve essere <600GeV
Il meccanismo di rottura della simmetria elettrodebole è il problema centrale della fisica delle particelle attuale
Paolo Gambino 3/3/2008 26
Che cosa sappiamo Che cosa sappiamo dell’Higgs?dell’Higgs?
Ricerche dirette a LEP: MH>114.4 GeV
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Paolo Gambino 3/3/2008 27
Che cosa sappiamo Che cosa sappiamo dell’Higgs dell’Higgs (II)(II)
Determinazione indiretta: netta preferenza per un Higgs leggero sotto i 150GeV.
FIT alle osservabili elettrodeboliassumendo la validità del MS
C’è qualcosa che non torna Un segnale di fisica oltre il MS?
Paolo Gambino 3/3/2008 28
Se c’è, l’Higgs verrà Se c’è, l’Higgs verrà scopertoscoperto
Paolo Gambino 3/3/2008 29
Perché non crediamo nel MSPerché non crediamo nel MS
troppi parametri, 3 repliche senza spiegazione incompleto: e la gravità? Perché è così debole? non prevede masse per i neutrini, non ne spiega la
piccolezza non spiega la materia oscura osservata, nè la bariogenesi
Materia oscura Materia non oscura
Trovare l’Higgs è parte di un progetto più ambizioso: capire l’origine della rottura di simmetria
che genera le masse e la natura della scala elettrodebole Il MS ha passato molti test, eppure anche se l’Higgs venisse trovato
Paolo Gambino 3/3/2008 30
La scommessa di LHCLa scommessa di LHCIl MS deve avere un completamento che ancora non conosciamo. Ma è una teoria protetta da effetti di scale alte (renormalizzabile).
L’estrapolazione del MS ad alte energie è problematica: la gerarchia (18 ordini di grandezza) tra scale di Fermi e di Planck è instabile proprio a causa dell’Higgs.La densità di materia oscura suggerisce novità a scale vicine
Ci aspettiamo Nuova Fisica sotto il TeV!
Per esempio supersimmetria…
…o delle dimensioni nascoste…
Paolo Gambino 3/3/2008 31
Il futuro è Il futuro è supersimmetrico?supersimmetrico?
La supersimmetria è un’idea bellissima: simmetria tra particelle con spin diverso bosoni fermioni
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Produzione di gluini e squark
a LHCRisolve alcuni problemi del MS,
ma è rotta! E come?
Ha un settore di Higgs esteso e uno spettro ricchissimo
Se esiste verrà esplorata
In dettaglio a LHC
Paolo Gambino 3/3/2008 32
The way to the future
Paolo Gambino 3/3/2008 33
Paolo Gambino 3/3/2008 34
I Nobel del Modello StandardNobel 1979 GLASHOW, SALAM and WEINBERG
teoria unificata delle forze elettrodeboli e magnetiche
Nobel 1984 RUBBIA and VAN DER MEER
scoperta dei bosoni W e Z, che comunicano le interazioni deboli
Nobel 1999 T’HOOFT e VELTMAN rinormalizzabilità del MS
Nobel 2004 GROSS, POLITZER, WILZCEK teoria interazioni forti
Paolo Gambino 3/3/2008 35
LHC: il punto di svoltaLHC: il punto di svolta
Il Modello Standard funziona benissimo, molto meglio di quanto ci si aspettasse.
LHC, scoprendo l’Higgs o ciò che lo simula, permetterà di incominciare a capire come completarlo