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Particelle Elementarie Forze Fondamentali

Enrico Robutti

E. Robutti Particelle Elementari e Forze Fondamentali 2

Le interazioni fondamentali


Forze fondamentali e unificazioneLe interazioni fondamentali sono quelle attraverso la

conoscenza delle quali è possibile descrivere tutti i fenomeni osservati in natura

Lo scopo è quello di descrivere il maggior numero possibile di fenomeni con il minor numero possibile di teorie generali⇒ unificazione

Diversi importantissimi esempi di unificazione nell’evoluzione della fisica

Quattro le forze oggi considerate fondamentali:Interazione Gravitazionale

Interazione ElettroMagnetica

Interazione Nucleare Forte

Interazione Nucleare Debole

Interazione Elettro-Debole


L’interazione gravitazionale

L’interazione gravitazionale regola il moto dei corpi celesti e in generale la struttura a grande scala dell’Universo

Si esercita tra tutti i corpi massivi

Ha raggio di interazione infinito

Descritta con successo da Newton con la Legge di Gravitazione Universale

Primo esempio di “unificazione” (la forza che fa cadere i gravi è la stessa che regola il moto dei pianeti)

La stragrande maggioranza dei moti celesti può essere descritta accuratamente per mezzo della meccanica newtoniana

Rivista da Einstein con la Teoria della Relatività Generale in termini di geometria dello spazio-tempo


L’interazione elettromagneticaL’interazione elettromagnetica è responsabile della

stragrande maggioranza dei fenomeni osservati su scala “umana”, inclusi i processi chimici e biologici

Stretto legame tra fenomeni di natura elettrica e magnetica messo in luce dagli studi di Ampère, Faraday,…

Unificazione di elettricità e magnetismo portata a compimento dal lavoro di Maxwell: Elettrodimamica Classica

onde elettromagnetiche ⇒ ottica ondulatoria

Quantizzazione del campo elettromagnetico di Dirac: Elettrodimamica Quantistica

La luce (e la radiazione e.m.) torna alla rappresentazione corpuscolare (fotoni)


L’interazione nucleare forteLa repulsione elettrostatica tra i protoni,

carichi positivamente, all’interno del nucleo tende ad allontanarli reciprocamente

Nei nuclei molto pesanti questo dà luogo ad instabilità ⇒ fenomeni radioattivi

L’interazione nucleare forte è responsabile delle forze che “tengono insieme” i protoni nel nucleo

⇒ forze attrattive superiori alla repulsione elettrostatica a brevissime distanze (~1 fm)

A livello inferiore è responsabile dell’aggregazione dei quark in protoni, neutroni, e negli altri adroni

Descritta da un’altra teoria di campo: CromodimamicaQuantistica (QCD)


L’interazione nucleare deboleL’introduzione di un altro tipo di interazione nucleare,

l’interazione nucleare debole, è necessaria per descrivere alcuni processi osservati in natura quali:

Il decadimento del neutrone:n → p e– Æνe

L’unificazione della teoria delle interazioni deboli con l’Elettrodinamica Quantistica ha determinato la nascita del Modello Standard delle interazioni elettro-deboli

Il decadimento del muone:

μ– → e– Æνe νμ


Le scale delle interazioni

Ogni interazione è caratterizzata, oltre che da una “intensità”, da una distanza tipica al di sotto della quale diventa rilevante:

Interazione Intensità (e.m. = 1) Distanza

Gravitazionale 10–40 ∞

Nucleare Debole 10–10 10–15 m

Elettromagnetica 1 ∞

Nucleare Forte 100 10–12 m


Le particelle


Cos’è una particella elementare?In teoria con il termine “particella elementare” si intende una

particella nella quale non possa essere distinta una sotto-struttura composta da altre entità più “fondamentali”

In questo senso né l’atomo né il nucleo sono particelle elementari

In pratica la Fisica delle Particelle Elementari si occupa anche dello studio di alcuni sistemi “sub-nucleari” (p.es. protone e neutrone), che sono oggi descritti come oggetti “composti”.

Lo studio delle particelle elementari e quello delle interazionifondamentali sono in pratica la stessa cosa

Più le particelle sono “elementari”, più diretto è il confronto tra l’osservazione sperimentale di come interagiscono tra di loro e leprevisioni della teoria che descrive l’interazione

Le stesse interazioni sono mediate da “quanti” che sono a tutti gli effetti particelle elementari


Le proprietà delle particelleLe particelle sono caratterizzate da molte grandezze:

massa: da 0 a centinaia di GeV/c2 per le particelle note;carica: multipli interi della carica elementare per le particelle “libere”;spin: intero (0, 1,..) per i bosoni, semi-intero (1/2, 3/2,..) per i fermioni;…

Le vite medie sono molto differenziate: particelle stabili: mantengono la loro identità indefinitamente (p. es.

protone, elettrone);particelle instabili: decadono “spontaneamente” dopo un certo tempo

(p. es. neutrone, muone, pione);risonanze: hanno una vita media

talmente breve che si possono osservare solo per mezzo di particolari caratteristiche nella cinematica dei prodotti di decadimento (p.es. Δ, ρ)


Barioni, mesoni, quarkTutte le particelle soggette all’interazione forte sono dette

adroni

Nel modello a quark tutti gli adroni vengono interpretati come stati legati di oggetti più fondamentali, i quark

A seconda dei processi di produzione e decadimento in cui sono osservati, gli adroni vengono classificati come:

barioni: p.es. protone, neutrone;

mesoni:p.es. π, K

barioni → tre quark (antiquark) mesoni → un quark e un antiquark


I leptoniIl muone ha caratteristiche del tutto analoghe a quelle

dell’elettrone ma una massa circa 200 volte superiore

I neutrini hanno caratteristiche del tutto peculiari:hanno massa (quasi) nulla;

interagiscono pochissimo (solo interazione debole)

L’esistenza del neutrino venne postulata per spiegare la forma dello spettro degli elettroni emessi nei decadimenti β

e–

Æνe

Elettrone, muone, neutrino, fanno parte della famiglia dei leptoni: non sono soggetti all’interazione forte ma solo a quella debole e (se carichi) a quella elettromagnetica


I mediatori delle forze

Le particelle scambiate non sono normalmente osservabili direttamente. P. es.:

Le interazioni tra particelle avvengono attraverso lo scambio di altre particelle, i “mediatori” delle forze

Le caratteristiche dell’interazione si riflettono nelle caratteristiche dei mediatori: p.es. massa elevata ⇒ corta distanza di interazione

e+ e– → μ+ μ– è descritto da e+ e– → γ → μ+ μ– (γ = fotone);

n → p e+ Æνe è descritto da n → p W– → p e+ Æνe (W– = mediatore dell’interazione debole);


Il Modello Standard


Tre famiglie di fermioniElettrone, neutrino

elettronico, quark up e downsono sufficienti a descrivere la materia che ci circonda

Per descrivere i processi osservati in laboratorio occorre però introdurre altre due famiglie di fermioni, con caratteristiche analoghe ma con masse sempre più alte

L’osservazione del quark top (Fermilab, 1995) è stato uno dei più grandi successi del Modello Standard


I bosoni vettori

L’interazione elettromagnetica è mediata dal fotone (neutro, massa nulla)

L’interazione nucleare forte è mediata da 8 gluoni (neutri, massa nulla)

L’interazione nucleare debole è mediata da 3 bosoni vettori massivi: 2 carichi (W±) e uno neutro (Z0)

L’osservazione di W± e Z0 (CERN, 1983) costituisce il primo grande successo del Modello Standard

Gravitazione → gravitoni?


Il bosone di HiggsLa costruzione del Modello Standard implica che i campi che

vi compaiono siano associati a particelle di massa nulla, contrariamente all’evidenza sperimentale

Il meccanismo di Higgs consente di riscrivere la teoria in modo che le particelle “fisiche” (sia materiali che mediatrici di forza) acquistino una massa.

La conseguenza è la comparsa di una nuova particella massiva, il bosone di Higgs

Il bosone di Higgs non è mai stato osservato e sarà il primo obiettivo della prossima generazione di esperimenti

La teoria non prevede alcun valore per la massa dell’Higgs, ma i dati disponibili oggi permettono di stabilire limiti inferiori e superiori: la regione permessa è limitata


Il quadro completo


Oltre il Modello Standard?Nonostante i numerosissimi successi, il Modello Standard è

insoddisfacente sotto molti punti di vista:non predice l’esistenza di esattamente tre famiglie di fermioni, i valori

delle masse e le grandi differenze tra di esse,…;

non giustifica l’asimmetria materia-antimateria dell’Universo;

non spiega l’origine della materia oscura

Numerose nuove teorie tentano di risolvere queste difficoltàestendendo o superando il Modello Standard

Le teorie supersimmetriche sono tra le più attraenti e studiate: prevedono l’esistenza di un gran numero di nuove particelle elementari, e spesso sono associate a simmetrie che permettono di unificare l’interazione forte a quella elettro-debole (teorie di Grande Unificazione)

Il passo successivo è quello di includere anche la gravità (teorie di stringhe, membrane,…)


Come è fatto un esperimento


Bersagli fissi e fasci collidentiDue diverse classi di esperimenti con acceleratore:

Il fascio di particelle accelerate viene “estratto”dall’acceleratore e diretto su un bersaglio fisso

Altissime luminosità(∝ numero di eventi per unitàdi tempo) raggiungibili

Possibilità di creare fasci “specializzati”: p.es. fasci di pioni o di kaoni

Due fasci che viaggiano in direzioni opposte collidono all’interno dell’acceleratore

Tutta l’energia dei fasci èdisponibile per la creazione di nuove particelle ⇒ altissime energie raggiungibili

Utilizzo efficiente dei fasci negli accumulatori circolari


Gli acceleratoriGli acceleratori forniscono la “materia prima” per gli

esperimenti: accumulano ed accelerano i proiettiliI proiettili sono normalmente particelle cariche stabili: protoni,

elettroni, antiprotoni, positroni

Sono tipicamente di due tipi:lineari;

circolari (accumulatori)

Gli elementi principali sono:cavità risonanti, per fornire energia

alle particelle;

magneti, per controllarne la traiettoria


La struttura di un rivelatore


La struttura di un rivelatoreLe classi principali di rivelatori:

tracciatori di vertice: ricostruiscono vertici secondari;

tracciatori principali: misurano carica e impulso;

identificatori di particella: misurano la velocità;

calorimetri elettromagnetici: misurano l’energia di elettroni e fotoni;

calorimetri adronici: misurano l’energia degli adroni

camere per muoni: rivelano il passaggio dei μ


Dal progetto alla presa datiproposta metodo

di misura

formazione della Collaborazione

scelta del laboratorio

progettoprogetto

collisioni ⇒ inizio presa dati

installazione

test apparato completo

costruzione/test sotto-rivelatori

costruzione/test

rivelatoreac

cele

rato

re


Dalla collisione alla misuracollisione

filtro software

analisi datiac

quis

izio

ne d

ati

prima selezione eventi (trigger)

segnali nei rivelatori

scrittura evento

ricostruzione dell’evento

selezione eventi di interesse

analisi completa

misura / confronto con la

teoria

rilettura e decodifica dati


Gli esperimenti


Temi attuali in Fisica delle ParticelleConferme del Modello Standard

Esiste il bosone di Higgs? Ha massa compatibile con gli attuali limiti indiretti? Interagisce come previsto con le altre particelle?

L’accoppiamento tra le famiglie fermioniche è in perfetto accordo con il modello?

Studio di processi vietati nel Modello Standard

Oltre il Modello StandardEsistono particelle supersimmetriche? Che massa hanno?

Ci sono altre particelle elementari “impreviste”?

Test di modelli di fisica adronicaSpettroscopia degli adroni

Studio di produzione e decadimento di adroni


CERN, Ginevra

I laboratori nel mondo


Fermilab, Illinois



DESY, Amburgo



SLAC, Stanford - California




Laboratori Nazionali di Frascati


Il Large Hadron Collider


Il Large Hadron Collider

Il Large Hadron Collider (LHC) è attualmente in costruzione al CERN: nel 2007 dovrebbe iniziare le operazioni

LHC è un anello di collisione protone-protoneEnergie finora mai raggiunte: 7 TeV + 7 TeV

Altissima luminosità

Quattro grandi esperimenti:ATLAS

CMS

LHCb: fisica del mesone B

ALICE: fisica nucleare e adronica

uso generale; ricerca del bosone di Higgs, Nuova Fisica }


Il presente e il futuroOggi:

fisica dei sapori (principalmente B): BABAR, Belle;

Modello Standard (top, W): CDF, D0;

fisica adronica: CLEO, BES,…

Domani:nel 2007 inizia l’era di LHC;

decadimenti rari? (NA48,…);

super-fabbrica di B?

Dopodomani:acceleratore lineare e+e– ad altissima energia;

anello di collisione μ+μ–?

…?


ATLAS

Fisica ad altissime energie:ricerca del bosone di Higgs;

ricerca di nuova fisica (particelle supersimmetriche?)


ATLAS


LHCb

Fisica dei mesoni B:decadimenti molto rari;

misure di precisione, possibilità di studiare i mesoni Bs (bÆs)


LHCb

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TOTEM

TOTEM

Area sperimentale CMS (IP5)

CMS

Fisica “in avanti” a LHC:sezione d’urto protone-protone elastica e totale;

fisica diffrattiva


TOTEM


BABAR

Fisica dei mesoni B:violazione della simmetria CP; parametri di mescolamento famiglie;

decadimenti rari


BABAR


MEG

Violazione del numero leptonico: ricerca del decadimento μ → e γ


MEG


Il lavoro del fisico delle particelle


HardwareRivelatori di particelle

Elettronica



Sviluppo di nuove tecnologie

Progetto, realizzazione e test di rivelatori per esperimento

Studi di prestazioni

Progetto di sistemi complessi di acquisizione dati

Progetto e realizzazione di nuovi chip dedicati

Progetto e realizzazione di schede di acquisizione/elaborazione dati


SoftwareAcquisizione dati

Analisi



• B0 → K+ π–

• B0 → K– π+

Progetto di architetture di acquisizione

Scrittura di codice di lettura/controllo/archiviazione

Sviluppo di interfacce utente

Progetto di architetture di ricostruzione/simulazione/analisi dati

Scrittura di codice specifico

Analisi finale dei dati ⇒ risultati di fisica


Gestione e coordinamentoEsperimenti sempre più grandi ⇒ necessità di una struttura

ben organizzata

Moltissime posizioni di coordinamento:Gestione generale esperimento: “portavoce”, coordinatori tecnici, di

fisica, di calcolo

Coordinatori sotto-rivelatori e responsabili hardware/software sotto-sistemi

Responsabili sotto-sistemi di calcolo

Coordinatori gruppi di ricostruzione e analisi

Gestione scrittura articoli e presentazioni a conferenze

…


Competenze e sbocchi professionaliRicerca “pura”: Università, Enti di Ricerca, Laboratori

internazionali

Figure specializzate nei centri di ricercaServizi di calcolo, elettronica, nuove tecnologie

Industria e serviziSviluppo software

Gestione sistemi di calcolo e trattamento dati

Progettazione e sviluppo elettronica

Progettazione sistemi di controllo

Tecnologie biomediche

Simulazioni di mercato (assicurazioni, società finanziarie)

…

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