presentazione modello standard ridotta
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IL MODELLO STANDARD
Cosa lo tiene insieme?
Di cosa è fatto il mondo?
I filosofi dell’antichità pensavano che ogni cosa fosse un composto dei quattro elementi:
FUOCO
ARIA
TERRA
ACQUA
Oggi noi sappiamo che c'è qualcosa di più fondamentale
L’ATOMO
Ma l'atomo è fondamentale?
Attorno al 1900 si vide che gli atomi potevano essere classificati in base alle loro proprietà chimiche.
questo fatto lasciava pensare che gli atominon fossero fondamentali.
Infatti…
e ne misura il rapporto tra carica elettrica e massa.
Nel 1898 studiando i raggi catodici
J.J. Thomsonscopre l'elettrone
studiando lo scattering di particelle da parte di un sottile bersaglio d'oro
Nel 1905
Rutherford scopre il nucleo atomico
L'atomo ha una struttura interna
Questi esperimenti permisero di stabilire che l'atomo è composto da un nucleo denso, di carica positiva, e da una nube di elettroni.
Ma non è finita...
Anche il nucleo è composto: è fatto di protoni e neutroni.
Ma non è ancora finita...
Con l'avvento dei primi
acceleratori si inizia a produrre nuove particelle.
Cosa è successo?
Ma cosa sono gli acceleratori?Se non ti interessano gli acceleratori
Capita abbastanza spesso che i fisici vogliano studiare particelle massive instabili che hanno solo un'esistenza brevissima.
Ma tutto quello che possono trovare nel mondo che ci circonda normalmente sono particelle di piccola massa.
C'è un trucco geniale: usare particelle di piccola massa per ottenere particelle di massa maggiore. Come funziona?
La famosa equazione di Einstein,
E= m c2
significa che
Senti la voce di Einstein che spiega l’equivalenza energia-massa
Quando un fisico vuole adoperare particelle di piccola massa per creare particelle di grande massa, tutto quello che deve fare è
• mettere le particelle di piccola massa in un acceleratore,• dar loro un bel po' di energia cinetica,• e poi farle andare a sbattere l'una contro l'altra.
Nell'urto, l'energia cinetica delle particelle si converte nella formazione di nuove particelle massive.
E' attraverso questo processo che possiamo creare in laboratorio particelle massive instabili in natura, in modo da studiarne le proprietà.
E' come se facessimo scontrare frontalmente due fragole ed ottenessimo altre fragole, tantissime piccole ghiande, qualche pera, una banana, una noce, e una prugna.
Come funziona un acceleratore
Gli acceleratori di particelle possono essere di due tipi: lineari o circolari.
1. Una sorgente di particelle; 2. Campi elettrici che
accelerano le particelle;
3. Campi magnetici che curvano e focalizzano i fasci di particelle;
4. Rivelatori che consentono di osservare le collisioni fra le particelle e le particelle prodotte. Fermi al sincrociclotrone di Chicago
Le componenti base di un acceleratore sono:
I PRINCIPALI ACCELERATORI
SLAC: Acceleratore Lineare del Centro di Stanford, in California, U.S.A.; qui sono stati scoperti il quark charm e il leptone tau.
Tevatron al Fermilab di Chicago: sincrotrone per protoni, qui sono stati scoperti i quark bottom e top.
Il Tevatron è stato spento il 30 settembre 2011
CERN: Organizzazione Europea di Ricerche Nucleari, tra Svizzera e Francia; qui sono state scoperte le particelle W e Z.
LEP al CERN di Ginevra 1988-2001
Ugo Amaldi
Ma c’è anche questo
Lungo l'anello del LEP, a cento metri di profondità, elettroni e positroni venivano sparati in direzione opposta a velocità vicine a quelle della luce, così da percorre i 27 Km del LEP oltre diecimila volte al secondo.
Al CERN, nello stesso anello del LEP, ora c’è LHC
Collisioni Protone-Protone
7 TeV +7 TeV
1,000,000,000 di collisioniogni secondo
Obiettivi scientifici: • L’origine della massa• La materia oscura• Il plasma primordiale• Materia contro antimateria
Circonferenza dell’LHC = 26.6 km
Profondità ~ 100 metri
Temperatura = 1.9 KelvinEnergia = 7 TeV: energia di 5 mila miliardi di batterie AA energia di 7 mosche che volano 7000 volte la massa del protone
La velocità del protone = 0.999999991 c
Energia totale di un fascio ~ un aereo che vola
Ai punti di collisione, i fasci sono più stretti di un capello
Il conto: ~ 3 miliardi di Euro + il lavoro + gli esperimenti
Cavità superconduttrice a radiofrequenza
Negli acceleratori come LHC le cose sono un po’ più complicate.
Qualcosa di simile all’inversione di polarità viene assicurata da un generatore di radiofrequenza e la successione di elettrodi è rimpiazzata da cavità risonanti come questa
Dipolo magnetico
Per LHC abbiamo bisogno di due linee di fascio, ciascuna con i suoi magneti, per tenere in traiettoria i due fasci di protoni che circolano in senso opposto
La pressione nei tubi é 10 volte minore della pressione atmosferica
sulla superficie della luna
Più vuoto dello spazio interplanetario!
I magneti sono più freddi dello spazio
1.9 Kla radiazione cosmica: 2.7 K
Il punto più caldo della galassia!
Equivalente ad una temperatura un miliardo di volte più alta
che nel centro del sole
Come identificare una particella
47
Il passaggio delle particelle
misura del momento via curvatura
nel campo magnetico
misura dell’ energia via creazione e totale
assorbimento di sciami
rivelazione dei muoni che hanno attraversato tutto
Il rivelatore.Lungo braccio di leva:misura del momento
electromagnetic hadronic shower
undetected neutrinos...
measurement bymissing energy
Diametro 25 mLunghezza dei magneti 26 mLunghezza totale 46 mPeso totale 7000 Tonnelate
L’esperimento ATLAS:ricerca del bosone di Higgs e della supersimmetria
Più leggero della torre Eiffel:galleggerebbe nell’acqua
2500 fisici
164 istituti
35 paesi
La caverna di ATLAS
L’esperimento CMS:ricerca del bosone di Higgs e della supersimmetria
Piu pesante della torre Eiffel:affonderebbe nell’acqua
2000 fisici 180 istituti 37 paesi
Rivelatore CMS
Alcuni risultati del LEP: traccia del decadimento Z
Traccia del decadimento Z nel LEP
La prima collisione ad alta energia
Vedi video LHC
Vedi video CERN in 3 minuti LHC
Vedi LHC rap
Se vuoi saperne di più vediCome funziona LHC.pdf
John Ellis
Higgs davanti al rivelatore CMS
LNF: Laboratori Nazionali di Frascati, dell’INFN.Qui funziona la prima "fabbrica di ".
Con grande sorpresa dei fisici, gli esperimenti con gli acceleratori rivelarono che il mondo delle particelle era molto ricco; furono scoperti molti tipi di particelle simili a protoni e neutroni (i barioni), e un'intera famiglia nuova, i mesoni.
Entro la metà degli anni '60 erano stati identificati circa
cento tipi di particelle.
Le domande diventano ben presto molte e pressanti e la teoria rincorre faticosamente le molte scoperte degli anni '30-'50.
Ben presto il quadro delle particelle "elementari" è talmente complicato e ampio che diventa logico e necessario cercare una struttura soggiacente, per semplificarne la descrizione.
Negli ultimi trent'anni, la teoria si è arricchita e ha guadagnato crescente favore con nuove prove sperimentali dovute ai moderni acceleratori di particelle.
Risolse il problema la teoria dei quark di Gell-Mann e Zweig.
Vedi video
I protoni e i neutroni non sono fondamentali:sono composti da particelle più elementari, chiamate quark.
Attualmente si ritiene che i quark e gli elettroni SONO fondamentali.
Come sarebbe in scala?
Se
protoni e i neutroni : 1cm;
elettroni e quark : spessore di un capello;
Atomo: più di 30 campi da calcio!
Ma questo diagramma è fuori scala!
Allora, come posso rappresentare l’atomo?
E poi, tutte le particelle sono in continuo movimento.
oppure
Se i protoni e i neutroni in questa figura avessero un diametro di 10 cm, allora i quark e gli elettroni dovrebbero essere meno di 0,1 mm, e l'atomo intero 10 km.
E’ affascinante pensare che tutto è fatto con solo tre particelle - elettroni, protoni e neutroni.
...e protoni e neutroni sono immortali, vivono più a lungo dell’età dell’ Universo.
Allora il mio corpo è fatto di particelle che non moriranno? Quanti anni hanno?
Circa 15 miliardi di anni … la stessa età del nostro universo. Ma, come si sono create?
Sono state create dall’energia nel primo istante dopo il Big Bang.
Crea disagio un mondo fatto di tantissime particelle diverse, il cui ruolo non è chiaro.
Questa è la sfida:
semplificare la descrizione del mondo
IL MODELLO STANDARD
Nel 1967 si rivela la possibilità d'inquadrare tutte le particelle veramente elementari, e le forze che esse risentono, in un modello teorico enunciato da Glashow, Salam e Weinberg :
il "Modello Standard"
Con il Modello Standard si intende descrivere sia la materia che tutte le forze dell'universo (esclusa la gravità).
La sua bellezza sta nella capacità di spiegare centinaia di particelle e interazioni complesse con poche particelle e interazioni fondamentali.
Il punto di forza del Modello Standard, quello che lo rende capace di spiegare così tante cose, è il riportare tutte le particelle osservate a:
· 6 tipi di leptoni · 6 tipi di quark, e... · particelle mediatrici di forza .
Il primo tipo di particelle materiali che andiamo a conoscere sono i leptoni.
I leptoni carichi sono:
l'elettrone (e);
il muone (µ);
il tau (),
Gli ultimi due sono fondamentalmente elettroni con molta più massa.
I leptoni carichi sono tutti negativi.
Gli altri tre leptoni sono i
neutrini.
Non hanno carica elettrica, e hanno una massa piccolissima.
C'è un tipo di neutrino che corrisponde a ogni tipo di leptone con carica elettrica.
Per ciascuno dei sei leptoni c'è un leptone di antimateria (antileptone) con massa uguale e carica opposta.
Per ogni particella (materia) c'è la corrispondente antiparticella (antimateria). Un'antiparticella è identica alla sua particella sotto ogni aspetto, tranne che per la carica, che è opposta.
Quando una particella e la sua antiparticella si incontrano, si annichilano in energia pura. Questa energia può dar vita a particelle, prive di carica, mediatrici di forza, come fotoni, bosoni Z, o gluoni.
Neutrino muonico 1 Neutrino muonico 2 Neutrino muonico 3
I leptoni, come i felini, che sono indipendenti e solitari, possono esistere senza la compagnia di altre particelle.
Attualmente, non abbiamo alcuna prova sperimentale che i leptoni abbiano una struttura interna, nè una dimensione.
E poi…
ci sono sei tipi di quark:
Up/Down, Charm/Strange, e
Top/Bottom.
Per ciascuno di questi quark esiste il corrispondente quark di antimateria (antiquark).
I quark hanno l'insolita caratteristica di avere carica elettrica frazionaria, di 2/3 o -1/3, diversamente dagli elettroni, che hanno carica -1, e dai protoni, che hanno carica +1.
I quark sono dotati anche di un altro tipo di carica, chiamata carica di colore.
Se non ti interessa la storia dei quark
Come gli elefanti, che sono animali sociali, i quark vivono solo insieme ad altri quark
I singoli quark hanno cariche elettriche frazionarie. Ma queste cariche frazionarie non sono mai state osservate direttamente perché i quark non vanno mai in giro da soli; invece, si trovano in gruppi a formare delle particelle composte, chiamate adroni.
Ci sono due classi di adroni:
I barioniI barioni sono gli adroni composti da tre quark (qqq). Per esempio, i protoni sono composti da 2 quark up e 1 quark down (uud), e i neutroni da 1 up e 2 down (udd).
I mesoni I mesoni contengono un quark e un antiquark. Per esempio, un pione negativo è composto da 1 anti-up e 1 down.
Tutta la materia visibile nell'universo è composta dalla prima generazione di particelle materiali: quark up e down, ed elettroni.
La seconda e la terza generazione sono instabili, e decadono in particelle della prima generazione.
E' per questo motivo che tutta la materia stabile dell'universo è fatta dalle particelle della prima generazione.
Dal momento che non abbiamo quasi mai osservato le generazioni più alte delle particelle materiali, si pone il problema: perché esistono?
Quando è stato scoperto il muone nel 1936, il fisico I.I. Rabi ha chiesto “E questa chi l’ha ordinata?”
Abbiamo trovato una risposta alla domanda:
Di cosa è fatto il mondo?
Di QUARK e LEPTONI
Adesso prendiamo in considerazione l'altra domanda:
Cosa lo tiene insieme?
LE 4 INTERAZIONI FONDAMENTALINEL MODELLO STANDARD
Nel 1967 modello teorico enunciato da Glashow, Salam e Weinberg :
il "Modello Standard"
DA FORZA A INTERAZIONE
Vedi video QED e particelle mediatrici
Insomma, ci sono due generi di particelle:
particelle che sono materia
come gli elettroni, i protoni, i neutroni, e i quark
e particelle che mediano le interazioni
come i fotoni
Ci sono quattro interazioni tra le particelle:
LA FORZA GRAVITAZIONALE
"gravitone” ?
fotone
LA FORZA ELETTROMAGNETICA
Ci sono altre due interazioni
che noi non possiamo notare
dal momento che la loro sfera d'azione non è
molto maggiore del nucleo atomico.
Da queste due forze dipende l'esistenza di tutto ciò da cui è composto il mondo;
e da loro dipendono anche i processi di decadimento che rendono instabili alcuni tipi di materia.
Agiscono nell 'infinitamente piccolo e nell’ infinitamente grande.
Vedi video forza forte e forza debole
gluone
LA FORZA FORTE
LA FORZA DEBOLE
bosoni W+, W-, Z.
Carlo Rubbia (Gorizia 1934), fisico italiano.
La sua proposta di convertire il superprotosincrotrone del CERN in un anello di collisione per protoni e antiprotoni ha permesso di raggiungere energie sufficienti per osservare eventi in cui si producono i bosoni intermedi W e Z.
La scoperta di queste particelle elementari, annunciata nel 1983, confermò l'unificazione delle forze elettromagnetiche e dell'interazione debole, costituendo un passo fondamentale nello sviluppo della fisica moderna.
Rubbia ha ricevuto diversi riconoscimenti, tra i quali il premio Nobel per la fisica, che ha condiviso nel 1984 con il fisico olandese Simon van der Meer.
Senti parte intervista a Rubbia in occasione del Nobel
Unificazione? Vedi VIDEO
Riassumendo, esistono
8 gluoni, che mediano l'interazione nucleare forte;
il gravitone responsabile della forza gravitazionale;
il fotone, che media l'interazione elettromagnetica;
le particelle W e Z che trasportano la forza nucleare debole,
E il bosone di Higgs?
Il problema della massa• Non c’è una spiegazione della massa delle particelle.
• Eppure le particelle hanno una massa, che è enormemente diversa fra loro!
118
s
e
Raggi cosmici
c t
b
Le particelle forza
g gluoni (8)
fotone
W+,W-, Z bosoni
Si possono produrrein laboratorio
+ le antiparticelleossia l’antimateria
u
d
e
La materia di cui siamo fatti
Higgs
Le Particelle Fondamentali:Il MODELLO STANDARD
Con gli sci uno va molto veloce:Come una particella senza massaad es., un fotone = particella della luce
Con le racchette da neve,uno va più lentamente:come una particella con una massaad es., un elettrone
Con le scarpe uno affonda nella nevee va molto lentamente:come una particella con una grande massa
LHC cercheràil fiocco di neve:
il bosone di Higgs
Il bosone di Higgs … come un campo di neve
Lo cercheremo con l’LHC
Trovato!!!!!
CERN - 4 luglio 2012
Video tutto nostro sulla Fabiola
Il grande rifiuto
Trovato!!??
122
La ricerca dell’HiggsIl bosone di Higgs puo’ essere prodotto nella fusione di 2 dei gluoni che sono
all’interno del protone:
Il bosone di Higgs non e’ una particella stabile Decade in particelle elementari piu’ leggere Gli “stati finali” sono molteplici; i piu’ importanti sono:
– Hdue fotoni (Hγγ)– H quattro leptoni, per esempio quattro elettroni o quattro muoni (H4l)
Questa e’ una simulazione
Per esempio consideriamo un decadimento di una particella di massa 125 GeV in due fotoni: questo sarebbe il segnale dato da 206+45+49 eventi.
Non è così facile scoprire una nuova particella:
Ma c’è il fondo
Questa e’ una simulazione
Massa di 2 fotoni non associati al decadimento di una particella
Se consideriamo tutti I fotoni che arrivano sul rivelatore avremo il fondo e il segnale
Questa e’ una simulazione
E non hanno diversi colori!Questa e’ una simulazione
Bisogna saper distinguere il segnale dal fondo: cioè capire se il picco che si osserva è dovuto a fluttuazione casuali del fondo o è il segno lasciato da una nuova particella
Questa e’ una simulazione
128
Higgs in 4 leptoni
Evento simulato di produzione di HiggsIl protone è formato da quark e gluoni: 2 gluoni interagiscono e producono Higgs, gli altri quark e gluoni interagiscono producendomolte particelle: pp H +X + X
L’evento e’ complesso perche’ lo stato iniziale e’ complesso: il protone e’ una particella composta da particelle elementari che interagiscono tra loro. Nello stato finale avremo centinaia di particelle prodotte + (forse!) quella di interesse.
129
4 luglio 2012
Annuncio della prima scoperta degliesperimenti Atlas e CMS:
Una nuova particella di ~125 GeV di massa
130
H ZZ4l (l=e,m)• La probabilita’ che H ZZ4l e’ molto piccola, • l’Higgs decade in 4l solo il 10% circa delle volte.
• Gli eventi sono molto “puliti”: • 4 leptoni (elettroni o muoni)• con altissima efficienza di identificazione e • ricostruzione• provenienti dal punto dell’interazione (l’Higgs • decade immediatamente)• con alto valore del momento trasverso (pT~60 GeV) • isolati
131
Chiara Mariotti 131
4-lepton Mass : 125.8 GeV
μ+(Z2) pT : 12 GeV
e+(Z1) pT : 28 GeV
e-(Z1) pT : 14 GeV
μ-(Z2) pT : 15 GeV
Un bellissimo picco
4 July Nov 2012 Oggi
La significanza del segnale
• I nostri dati sono compatibili con una ipotesi di solo fondo o con una ipotesi di “segnale + fondo”?
• “fondo “ ‘fondo+signale”• Il fondo e’ formato dai processi del
Modello Standard che conosciamo e abbiamo (ri)misurato nell’esperimento.
• Il segnale: ipotesi che sia un bosone di Higgs
Se il picco del segnale si trova ad almeno 3-4 s dal fondo, allora abbiamo trovato davvero qualcosa di nuovo! 3 s significa che la probabilità che il segnale sia una fluttuazione del fondo è 2,7 x 10-3, così piccola da poter dire che il segnale non sia dovuto al fondo ma alla particella scoperta.
0.32 0.064 2.7 x 10-3 6.3x10-5 5.7x10-7
1 s 2 s 3 s 4 s 5 s
ATLAS 4ℓ Massa_H = 124.51 ± 0.52 GeV CMS 4ℓ Massa_H = 125.8 ± 0.44 GeV
H gg
γ1= 86 GeV
γ2=56 GeV
• Rispetto ai 4leptoni e’ uno stato finale dove domina il fondo• (2 fotoni prodotti da interazione dei quark).• I due fotoni non lasciano traccia nel tracciatore e dunque il loro “vertice primario” non
e’ noto con precisione problema per quando si hanno molti eventi sovrapposti (=pile-up, alta luminosita’ istantanea)
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H gg CMSATLAS
ATLAS fit ± stat. ± syst CMS fit ± stat. ± syst
γγ 125.98 ± 0.42 ± 0.28 GeV
124.70 ± 0.31± 0.15 GeV
4ℓ 124.51 ± 0.52 ± 0.06 GeV
125.8 ± 0.4 ± 0.2 GeV
comb 125.36 ± 0.37 ± 0.18 GeV
125.03 ± 0.26 ± 0.14 GeV