ADONEStoria dell’anello di accumulazione per elettroni e positroni

Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali

Corso di Laurea Specialistica in Fisica

Candidato:Giorgio Sestili

Relatore:Giovanni Battimelli

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Cronologia

mar. 1960: seminario di Bruno Touschek e inizio progettazione di ADA

ott. 1960: inizio progettazione di ADONE

1961: prime particelle accumulate in ADA

1962: trasferimento di ADA ad Orsay

1963: scoperta «effetto Touschek»

1964: Felice Ippolito viene arrestato

1967: primi fasci iniettati in ADONE

1968: soluzione problemi di instabilità dei fasci

mag.–sett. 1969: sciopero dei lavoratori e blocco totale dei Laboratori di Frascati

dic. 1969: inizio sperimentazione con ADONE

1970–1972: scoperta produzione multiadronica

1974: Scoperta della J/Ψ a Stanford e Brookhaven

“Nel 1965, un gruppetto di "ex" AdA che si accinge a sperimentare su Adone e intanto spreme il sincrotrone, sogna di andare a caccia di risonanze strette, senza immaginare che Adone non le vedrà per soli 50 miserabili MeV. Nove anni dopo, le vedranno altri.” C. Bernardini

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Le fonti d’archivio

Bruno Touschek (Vienna 1921 – Innsbruck 1978)

Edoardo Amaldi(Carpaneto Piacentino 1908 – Roma 1989)

Marcello Conversi(Tivoli 1917 – Roma 1988)

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L’idea di Bruno Touschek“La teppa adronica urla, e si capisce poco. Qui invece abbiamo a che fare con particelle che parlano civilmente.” B. Touschek

ADA 160 GeV 400 MeV

ADONE 9 TeV 3 GeV

MEs 2 Es 2

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L’idea di Bruno Touschek

Schema di AdA. Disegno originale di Bruno Touschek. Fonte: Archivio Touschek

Nel disegno, S è l'anello, T1 e T2 due targhette montate nella ciambella del sincrotrone, γ1 e γ2 i due raggi γ. C1 e C2 sono le "targhe convertitrici", C1 produce positroni e C2 elettroni. RF è l'impianto a radiofrequenza.

"Ah, ma perché non fare elettrone-positrone, sicuramente è più interessante perché elettrone e positrone si possono annichilire. Ma poi è anche più pratico, perché elettrone e positrone possono girare in uno stesso anello e non hanno bisogno di due anelli.” B. Touschek

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L’idea di Bruno Touschek“Depositiamo una grande quantità di energia nel vuoto e il vuoto ci dirà su quali frequenze preferisce vibrare.” B. Touschek

Verifica dell’elettrodinamica quantistica

Produzione di adroni nello stato finale

Produzione di mesoni vettoriali

Ricerca di nuove risonanze

La “Bibbia” N. Cabibbo & R. Gatto, Electron-Positron Colliding Beam Experiments, Phys. Rev. 124, 5, 1961.

Immagine tratta da un seminario di G. Salvini del maggio 1974

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ADA (Anello di Accumulazione)“Avevamo accumulato 80 elettroni (o positroni). Alle 7 della mattina dopo ricevetti la seguente telefonata: «Ce ne sono ancora 18, posso ammazzarli?»” B. Touschek

Parametri

ADA:

d = 160 cm

Ec.m. = 400 MeV

m = 8,5 x 103

Kg

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ADONE – Le tappe di costruzione gen. 1961: parte il gruppo Progetto Adone (Pres. F. Amman) e la Commissione Esperienze Adone (Pres. B. Touschek)

mar. 1961: E. Amaldi (Pres. INFN) invia una prima richiesta di adesioni al Programma Adone alle varie sezioni INFN

ott. 1961: presentata la prima “Proposta per la realizzazione di Adone”

1 gen. 1962: approvazione formale da parte dell’INFN (all’epoca CNEN)

gen. 1962: proposta per dotare i Lab. Naz. di Frascati di un Linac

lug. 1963: firma del contratto con la Varian per la fornitura del Linac

ott. 1963: dal CERN arrivano risultati sulla possibile esistenza del W fra 0,8 e 1,8 GeV. La CEA discute l’ipotesi di aumentare l’energia di Adone fino a 2 GeV.

fine 1964: viene ordinato il magnete

1965: installazione del Linac

feb. 1966: “Congressino” di Frascati e presentazione esperienze

1967-1968: primi fasci iniettati in Adone e soluzione problemi di instabilità dei fasci

dic. 1969: inizio sperimentazione

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Il caso Ippolito"Fu un duro colpo, perché per noi fisici Ippolito significava la guerra alla burocrazia. Una guerra che, come è noto, fu persa.” C. Bernardini

“I petrolieri desiderosi di smistare barili e costruire nuovi impianti di raffinazione, avevano tutto l'interesse che l'Italia non sviluppasse una politica nucleare alternativa al petrolio.”

F. Ippolito Felice Ippolito (Napoli 1915 – Roma 1997) agli arresti nel 1964

Giuseppe Saragat (Torino 1898 – Roma 1988)

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Esperimenti di prima generazione Esperimento γγ (Frascati e Roma): studio dettagliato di processi con particelle neutre nello stato finale.

Esperimento µπ (Frascati, Padova e Roma): esame della produzione di coppie di muoni, pioni e mesoni K.

Esperimento “bosone” (Frascati, Napoli, Pavia e Roma): studio di stati finali di particelle cariche (con il massimo angolo solido).

Esperimento BCF (Bologna, CERN, Frascati): misura dei fattori di forma di pioni e mesoni K e ricerca di leptoni pesanti.

Le previsioni della QED nei processi puramente elettromagnetici furono confermate fino alle massime energie esplorate

Vennero individuati nuovi mesoni vettori oltre ai tre già noti ρ, ω, φ.

Venne fissato un limite inferiore alla massa di nuovi leptoni con un altissimo livello di confidenza. Il leptone pesante τ, a 1784 MeV, sarà scoperto nel 1975 all’anello SPEAR di Stanford.

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iic eN

ee

adroniee2

3

23

)(

)(R 2

"The early results had a great impact on me and on others in the high-energy physics community, for the cross sections for multiple hadron production were much larger than expected." B. Richter

La produzione multiadronica

N. Cabibbo, G. Parisi, M. Testa, A. Verganelakis, Deep Inelastic Scattering and the Nature of Partons, Lettere al Nuovo Cimento, 4, 1970.

Contatori a scintillazione

Contatori Cerenkov

Assorbitori di ferro

Assorbitori di piombo

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Esperimenti di seconda generazione Magnete Esperienze Adone (MEA): apparato dotato di camere a scintilla immerse in un campo magnetico, in grado di discriminare la carica delle particelle e misurarne la quantità di moto. Realizzato dai gruppi di Frascati, Napoli, Padova e Roma.

Esperimento γγ2 (Frascati, Roma): ripeteva la struttura di γγ ma disponeva di un maggiore angolo solido.

Esperimento “barione-antibarione” (Frascati, Napoli, Pisa, ISS): studio della sezione d’urto alla soglia energetica dei processi con barioni e antibarioni nello stato finale.

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La (mancata) scoperta della J/Ψ

Prime misure della sezione d'urto e del rapporto R effettuate a SLAC con step di 200 MeV, in funzione del quadrato dell'energia nel centro di massa.

“At that time we had not expected narrow structures and thus we decide to measure the cross section in steps of 100 MeV in beam energy.” G. Goldhaber

1973: entra in funzione SPEAR (6 GeV) a Stanford.

Luglio ‘74: B. Richter presenta i primi risultati alla Conferenza di Londra. Anomalia fra 3,1 e 4 GeV.

Ottobre ‘74: Si decide di procedere con nuove misure intorno a 3,1 GeV. Confermata l’anomalia.

4 Nov. ‘74: Richter propone di “spazzolare” la regione intorno a 3,1 GeV con intervalli di soli 10 MeV.

11 Nov. ‘74: annunciata la scoperta della particella J (S. Ting) – Ψ (B. Richter)

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La (mancata) scoperta della J/Ψ“When I came to SLAC that aftenoon, we were scanning in small energy steps of 10 MeV across the 3,1 GeV region [...] and the most amazing thing happened before my eyes." G. Goldhaber

“Ci telefonò Ting da Brookhaven. A quel punto abbiamo tirato Adone per il collo, fino a 3,1 GeV, e subito l'abbiamo vista. Salvini era quello più turbato di tutti.” C. Bernardini

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La (mancata) scoperta della J/Ψ

“I cannot help remembering that night when we found it. We had lived for more than two years with a rhythm (an agony) of a few hadronic events per hour, signaled at random from the dry hit and lightning of our spark chambers. But shortly after, when we reached 3100 MeV, it was an orgy of lights and hits, which left us astonished and with an unjust feeling of injustice." G. Salvini

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Il quarto quark: il charm

Meccanismo “GIM”S. L. Glashow, J. Iliopoulos, and L. Maiani,Weak Interactions with Lepton-Hadron Symmetry, Phys. Rev. D2, 1285 (1970)

Mesone J/Ψ

quark-antiquark

charm

m = 3,0969GeV/c2

vita media = 7,2·10-

21s

c.e. = 0e

spin = 1 “Il meccanismo GIM fu un atto di coraggio, perché richiese addirittura la teorizzazione dell’esistenza di una nuova particella, fino ad allora mai pensata od osservata.” Paris Sphicas, segretario EPS, in occasione del Premio 2011 per la Fisica delle particelle e delle alte energie

“La possibile esistenza della J/Ψ era stata più volte discussa all'interno dei Laboratori, ma non fu seriamente cercata” N. Cabibbo

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Dallo “zoo” al Modello Standard

fine ‘60: modello a partoni (SLAC)

1970: meccanismo “GIM”

1972: produzione multiadronica

1973: correnti neutre (CERN)

1974: Mesone J/Ψ e quark charm

1975: leptone carico τ

1977: quark bottom

“All’inizio non era preso sul serio, a causa del suo aspetto un po’ raffazzonato. Ma contro le aspettative, tutte le sue predizioni sono state confermate.” C. Rovelli

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Epilogo

Lettera di B. Touschek a P. Forman, 18 ott. 1976

Nel 1976 il Premio Nobel per la fisica viene assegnato a Burton Richter e Samuel Ting per la scoperta della J/Ψ

"L'abbandono del progetto per la costruzione del Super-Adone fu una gravissima perdita per i laboratori: pensiamo a quanto gli amici di Cornell hanno fatto con una macchina che era essenzialmente quello che il Super Adone avrebbe dovuto essere. E un'altra perdita fu la dispersione del patrimonio di talenti che andarono a fertilizzare altre parti." N. Cabibbo

"The fact that fat Richter gets the Nobel prize for a discovery which not he but Ting has made and with the help of a machine which not he, but I, has invented, may explain the poison which flows through this letter. Add to the conclusion that not those who have ideas, but those who administer them (with the help of an efficient machine) get recognition and you will understand my state of mind."

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Epilogo"E' stato dopo che Touschek aveva rotto il ghiaccio con il suo piccolo AdA, e dopo con Adone, che i fisici hanno mostrato interesse per questo principio. Oggi esso costituisce una delle vie principali per lo studio delle particelle elementari." R. Wideröe

"Have you heard of the C.E.R.N. project: 100 BeV electrons and positrons. A tunnel of about 50 Km! Don't know whether to feel guilty or elated." Touschek a Forman, 3/5/1977

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Epilogo

Il 26 aprile 1993, Giorgio Salvini spegne l’ultimo fascio circolante in Adone

ADONEStoria dell’anello di accumulazione per elettroni e positroni

Candidato:

Giorgio Sestili

Relatore:

Giovanni

Battimelli

Un ringraziamento particolare va al Prof. Carlo Bernardini, per gli utili consigli e per

la piacevole intervista concessami.

Roma, 25 marzo 2014