La ricerca in Fisica delleParticelle Elementari

Oggi

Italo Mannelli

SNS

La Scienza Moderna e’ nata con Copernico,

Galileo, Newton e Leibniz circa 400 anni or sono.

Le caratteristiche essenziali sono rimaste invariate

Durante questi secoli:

a)La necessita’ di sottoporre le ipotesi alla verifica sperimentale

b)L’uso della matematica per formulare le teorie

In modo quantitativo

c)La riproducibilita’ dei risultati

d)Il necessario sviluppo degli strumenti per consentire nuove osservazioni

Piu’specificamente per quanto riguarda lo studio

dei costituenti della materia e delle loro interazioni

e’rimasta fondamentale l’integrazione delle

conoscenze ottenute in laboratorio con quelle

dedotte dalle osservazioni astronomiche

Dopo il grande sviluppo della meccanica classica

nel Settecento , della termodinamica e dell’ elettro-

magnetismo nell’ Ottocento la sensazione fra un

certo numero di scienzati era che ormai ci fosse

rimasto poco da scoprire in Fisica.

Sensazione certamente erronea se e’vero che il 2005

e’ stato dichiarato ANNO della FISICA per celebrare

le scoperte nell’ ANNO MIRABILIS 1905 da parte

di Einstein :

1) La spiegazione del moto Browniano che confermo’

inconfutabilmente l’ esistenza di MOLECOLE nella

materia

2) La dimostrazione che le caratteristiche sperimentali

dell’effetto foto-elettrico implicano la reale esistenza

di QUANTI di energia elettromagnetica

3) La formulazione del principio di RELATIVITA’

esteso dalla meccanica (Galileo) all’elettromagnetismo

che rivoluziona il concetto di SPAZIO e TEMPO

Gia’qualche anno addietro e’stato stimato che piu’

del 30% di tutte le attivita’ economiche e’ dovuto

all’ utilizzazione di fenomeni governati dalla

MECCANICA QUANTISTICA E RELATIVITA’

(Leon LEDERMAN, Premio Nobel 1988).

Malgrado il grande progresso scientifico e le

straordinarie ricadute sulla vita di tutti, nessuno

ritiene che si sia prossimi a risolvere in linea di

principio tutti I problemi della Fisica.

Ad ogni passo avanti nelle nuove conoscenze sono

sorti NUOVI quesiti e si sono aperti nuovi ORIZZONTI.

In particolare per quanto riguarda la Fisica delle

Particelle elementari e’apparsa sempre piu’ necessaria

e fruttifera la connessione con l’ Astronomia, la

Astrofisica e la Cosmologia.

Il tema unificante di ricerca per il prossimo futuro e’

l’ UNIVERSO QUANTISTICO

Gli esperimenti di fisica delle particelle agli acceleratori

(ad esempio al CERN, FermiLab, SLAC, Futuro

acceleratore lineare) ed in Laboratori sotterranei

(GranSasso, Frejus, Sudbury, Kamiokande, Antartica)

insieme a quelli sui raggi cosmici, sulle onde

gravitazionali(Virgo, Ligo) o utilizando sonde e telescopi

spaziali o terrestri offrono nuove opportunita’ per

scoperte sulla natura fondamentale dell’ Universo

Osservazioni astronomiche, in particolare sulle proprieta'

della radiazione cosmica di fondo, costringono i cosmoghi

ad ammettere che il 95% dell'Universo e' costituito da

MATERIA OSCURA e da una forma di ENERGIA

OSCURA a carattere repulsivo, DIVERSE rispetto a

qualunque cosa osservata anche nei piu' recenti ed avanzati

esperimenti.

Questo significa che si sta aprendo un'era di

scoperte teoriche e sperimentali di straordinaria

importanza alla quale le nuove generazioni di fisici

sono chiamate a dare il loro contributo.

Alcune strade sono gia' indicate: si tratta di percorrerle

per raggiungere un piu' approfondito livello di

comprensione della NATURA.

Il panorama e’troppo vasto per essere riassunto in qualche ora e pertanto ho pensato di esporvi due tematiche:

1)Le recenti scoperte e le prospettive della fisica dei

NEUTRINI

2)La relazione fra MATERIA ed ANTIMATERIA

ed in particolare la VIOLAZIONE della SIMMETRIA

CP

L’esistenza del NEUTRINO fu POSTULATA da Pauli

nel 1930 per evitare di dover ammettere che nel

decadimento radioattivo BETA dei nuclei fosse violato

il principio di conservazione dell’energia.

Fermi formulo’nel 1932 la teoria basata su questa

ipotesi , confermata sperimentalmente con la

rivelazione dei (anti)neutrini prodotti in reattori

nucleari solo nel 1957.

Bethe nel 1939 spiego’ il meccanismo di produzione

dell’ energia nel SOLE come conseguente ad una serie

di fusioni nucleari che, partendo da uno stato

iniziale di quattro protoni, terminano con un nucleo

di Elio piu’ 2 neutrini di tipo “e” (e fotoni).

Conseguentemente, dalla misura dei parametri solari

puo’ essere dedotto il flusso di questi neutrini che

raggiungono la terra (10e12/cm2/s).

Nel decadimento di alcune particelle sono stati

individuati altri due tipi di neutrino (tipo mu e tipo tau)

Se i neutrini hanno massa ZERO essi sono stabili

Ma in caso di massa non nulla allora, secondo un ipotesi

avanzata per primo da Pontecorvo negli anni sessanta,

essi possono OSCILLARE ,da un tipo all’altro, durante

la loro propagazione temporale.

Effettivamente i risultati di due esperimenti hanno

portato a concludere:

a) Esperimento SNO: il modello SOLARE e’corretto entro qualche percento

b) Esperimento SUPERKAMIOKANDE: I neutrini solari nel loro viaggio dal sole a noi per circa il 50% si sono effettivamente trasformati da tipo beta a tipo mu o tau

COMPITO PER IL PROSSIMO FUTURO

Determinare i valori delle masse dei neutrini, i parametri delle oscillazioni e nel caso sia provato che neutrini ed antineutrini NON sono identici (neutrini di FERMI)

determinare SE le oscillazioni dei neutrini ed antineutrini rispettano la

SIMMETRIA CP

per invarianza sotto Coniugazione di carica (cioe’ scambio particella-antiparticella) ed invarianza per Parita’ (cioe’ riflessione spaziale).

I quesiti di cui sopra non sono puramente ACCADEMICI ma hanno grande rilevanza COSMOLOGICA nel senso che la massa non nulla dei neutrini contribuisce naturalmente alla MASSA dell’ UNIVERSO e l’eventuale violazione di CP

potrebbe essere la chiave per spiegare l’apparente

ASSENZA di ANTIMATERIA almeno nella nostra

GALASSIA.

La GARA e’ aperta per chi INVENTA il modo piu’

efficace per rispondere a questi quesiti, CONVINCE

gli ENTI (come l’INFN in Italia) preposti a questo

tipo di ricerche a FINANZIARE il progetto ed i

COMITATI SCIENTIFICI dei Laboratori (CERN….)

Eventualmente coinvolti ad APPROVARLO.

DOPO non resta altro che la parte PIU’ DIFFICILE

dell’impresa, cioe’realizzare la costruzione delle

sorgenti di neutrini e degli apparati sperimentali

necessari, la raccolta dei dati e l’analisi fino ad

estrarne obbiettivamente i risultati, per concludere la

fatica con la stesura del lavoro per la

PUBBLICAZIONE

cosi’ da renderli disponibili alla comunita’ scientifica

La RICOMPENSA ultima essendo la STIMA dei

dei COLLEGHI ed eventualmente l’ attribuzione di

un PREMIO per merito scientifico.

Naturalmente quanto sopra presuppone che sia stato

disponibile, in una qualche forma, un POSTO di

RICERCATORE, possibilmente a tempo indeterminato,

vista la durata almeno decennale prevedibile per una tale

AVVENTURA scientifica….

Parlando di neutrini ho toccato brevemente il problema

della simmetria CP, perche’questo sara’ l’aspetto su cui

in assenza attualmente di una qualsiasi informazione

sperimentale in proposito si concentrera’ molto

probabilmente l’ interesse della ricerca in questo campo.

Nel settore dei QUARKS -- costituenti fondamentali

della materia assieme ai LEPTONI (elettroni, mesoni

mu e tau con I loro neutrini) ed ai GLUONI, mediatori

dell’interazione FORTE ed ai MESONI VETTORIALI,

mediatori dell’ interazione elettro-debole – la violazione

della simmetria CP e’stata scoperta nel 1964 e la ricerca

Teorica e sperimentale e’stata portata avanti intensamente

da allora con risultati particolarmente significativi,

raggiunti a partire dagli anni novanta, a seguito di

esperimenti dedicati al CERN ed al FermiLab ed alla

costruzione a Stanford e Tsukuba di macchine a collisione

Elettrone-positrone e rispettivi apparati sperimentali.

Inizialmente, per piu’ di un decennio, la violazione di

CP apparve come una curiosita’ limitata ad un unico

caso che richiedeva di utilizzare i principi della

meccanica quantistica per caratterizzarlo.

Successivamente, con il graduale sviluppo del

cosidetto Modello Standard, in cui al momento attuale

trovano collocazione tutti i fatti sperimentali finora

noti e con la realizzazione che con almeno tre famiglie

di quarks la teoria possedeva un sufficiente numero

gradi di liberta’ da poter includere la rottura della

simmetria CP, questo campo di ricerca ha assunto

una nuova rilevanza.

Innanzi tutto perche’ per la prima volta, come indicato

da Sakharov nel 1967, si intravedeva un meccanismo per

rendere conto del fatto che, a partire da un BIG BANG

in cui la materia e l’ antimateria(in qualunque modello

proposto) erano create in eguale proporzione, nello svi-

luppo successivo una violazione di simmetria al livello

di una parte su un miliardo, accoppiata all’ assenza di

equilibrio termodinamico ed ad un necessario (seppure

infinitesimo) grado di instabilita’ dei protoni, poteva

indurre la scomparsa della antimateria e produrre un

rapporto fra fotoni ed atomi nell Universo come

effettivamente osservato (dell'ordine di 10 miliardi).

L’altro motivo di interesse era l ‘aspettativa teorica

che questo sottile fenomeno di violazione di simmetria

potesse essere la manifestazione di una fenomenologia

che andava OLTRE il MODELLO STANDARD e che

sarebbe divenuta direttamente palese solo ad una scala di

energia piu’ elevata di quella raggiunta finora.

Gli esperimenti sui mesoni K (Cern e FermiLab) hanno

raggiunto una sensibilita’ed accuratezza sufficiente a

mettere in evidenza la violazione DIRETTA (quindi

non soltanto nello sviluppo della sovrapposizione

Quantistica degli stati) nel decadimento di questi mesoni

e piu’recentemente una serie di risultati sui decadimenti

di mesoni contenenti quarks di tipo b (SLAC e KEK)

hanno fornito dati di grande interesse teorico.

In generale le misure sono tutte inquadrabili nell’ ambito

del modello standard, ma la crescente sensibilita’ fa

sperare che possano emergere elementi di

NUOVA FISICA

Alla ricerca di NUOVA FISICA e’ destinato innanzi

tutto il nuovo acceleratore

L H C

a collisioni protone-protone di 8 TeV contro 8 TeV

e nucleo-nucleo, in fase di completamento al CERN,

che e’ previsto entrare in funzione nel 2007 insieme

a quattro apparati sperimentali -- i piu’ complessi e

raffinati mai costruiti nel mondo.

Una delle motivazioni piu' importanti per la costruzione

di LHC e' la ricerca dei cosidetti BOSONI di HIGGS dal

nome del fisico che per primo ha postulato un principio

per spiegare l'ORIGINE della MASSA dei costituenti

ELEMENTARI della materia.

Mentre dalla ben nota relazione fra massa ed energia

E = M.c2

si puo' assumere che la massa di oggetti composti

come protoni e neutroni derivi principalmente (od

anche totalmente in caso di costituenti di massa

nulla) dalla energia cinetica dei costituenti confinati

al loro interno, per quanto riguarda le particelle

elementari la massa deve derivare dalla loro

interazione con un campo che pervade lo spazio

i cui QUANTI sarebbero i BOSONI di HIGGS.

Le proprieta' di tali bosoni (eccetto la loro massa di cui

si sa soltanto dagli esperimenti finora effettuati che deve

essere maggiore di circa 110 volte la massa del protone)

sono specificate dalla teoria, che potra' essere pertanto

verificata (o smentita....!) gia' nei primi due o tre anni

di funzionamento di LHC

La sperimentazione ad LHC potra' anche portare alla

prova della esistenza della SUPERSIMMETRIA che

potrebbe permettere l'estensione della teoria standard

in modo da spiegare in particolare la natura della

MATERIA OSCURA , riconosciuta ormai come un

costituente essenziale (per i suoi effetti gravitazionali)

dell' UNIVERSO.

Infine la supersimmetria permetterebbe di prevedere

l' UNIFICAZIONE delle costanti di accoppiamento

di tutte le forze della NATURA ad energia altissima,

implicando fra l'altro la possibilita' di disintegrazione

spontanea del protone, ingrediente NECESSARIO

(anche se di per se non sufficiente) per spiegare la

attuale ASSENZA di ANTIMATERIA.

CERN Site

LHC

CERN Site (Meyrin)CERN Site (Meyrin)

SPS

CERN Member States

CERN Users

CMS – Compact Muon Solenoid

CMS sezione traversa

Atlas toroide

Atlas bobina

Puzzle

Find 4 straight tracks.

AnswerMake a “cut” on theTransverse momentumOf the tracks: pT>2 GeV