1 3/9/08 M.Paganoni 1 Il Large Hadron Collider e il futuro della ricerca fondamentale in fisica delle particelle M.Paganoni Università di Milano Bicocca ed INFN 3/9/08 M.Paganoni 2 Fisica e ordini di grandezza
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3/9/08 M.Paganoni 1
Il Large Hadron Collider e il futuro della ricerca fondamentale
in fisica delle particelle
M.Paganoni
Università di Milano Bicocca ed INFN
3/9/08 M.Paganoni 2
Fisica e ordini di grandezza
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Macrocosmo e Microcosmo
Goccia di
rugiada
Molecola
d’acqua
Atomo di
idrogeno
Quark e gluoni
nei protoni
QuarkChe cosa costituisce il 96 % dell’universo ?
Quark e leptoni hanno struttura ?
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La radioattività
Scoperta degli elementi radioattivi
Henri Becquerel: Uranio (1896)
Pierre e Marie Curie: Radio (1898)
: He++
!: elettroni
": fotoni di alta energia
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L’esperienza di Rutherford (1909)
Modello di Thomson
Modello di Bohr
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Il modello atomico di Bohr
L’atomo è in gran parte “vuoto”(in un modello in scala se il nucleo
e` un pallone da calcio, gli elettroni
si muovono sulla parte piu` lontana delle tribune)
Solo la Meccanica Quantistica spiega la stabilità atomica
(la Meccanica Classica prevederebbe
una perdita di energia dell’elettrone
per irraggiamento)
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Il nucleo
in presenza della sola forza
elettromagnetica
non potrebbe essere stabile
in realta` protoni e neutroni
sono costituiti da quark, legati
dall’interazione forte
Scoperta del neutrone (J. Chadwick, 1932)
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Massa ed energia
1 GeV/c2 (Giga ElectronVolt) = 109 eV
mprotone = 0.938 GeV/c2 = 1.67262158(31) x 10-27 Kg
melettrone = 0.0005 GeV /c2 = 9.109 x10-31 Kg
- +
1 Volt
Per dare ad un elettrone l’energia
di 1GeV, dovremmo mettere
in serie 109= 1000000000 pile
da 1 Volt !!
Perché vogliamo accelerare le particellea così alte energie?
- +
1 Volt
....
E =1 eV
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Le 4 interazioni fondamentali
attive su tutte le distanzeattive su d < 10–15 m
1 10-2
10-5 10-39
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Particelle forza (bosoni)
Forze sono dovute alloscambio di particelle
Legame tra spin e statistica
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Raggio di azione delle interazioni
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Unificazione delle forze
Importanti scoperte al CERN:– Correnti neutre (1973)
– Bosoni W & Z (1983)
- Conteggio di 3 famiglie di neutrini (1989)
S. Weinberg,
A. Salam,
S. Glashow :
Unificazione delle
forze
elettromagnetica e
debole
J. C. Maxwell :
Unificazione delle forze
elettrica e magnetica
LHC
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I mattoni della materia (fermioni)
confinati in mesoni (qq)barioni (qqq)
liberi
Caricaelettrica
+2/3
-1/3
0
-1
Interazioni
F,E,D
D
E,D
protone = uud neutrone = udd
Perché 3 ?
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u
d
c
s
t
b
e # $
%e%# %$
Massa (GeV)Le particelle forza Massa
g gluoni (8) 0
" fotone 0
W+,W-, Z bosoni 80/90 GeV ~0.001 ~1.5 ~180
~0.002 ~0.1 ~4.5
~0. ~0. ~0.
~0.0005 ~0.1 ~1.7
Il modello standard non predice le
masse delle particelle, che sono
misurati sperimentalmente
L’origine delle masse
( Il protone ha massa ~1 GeV)
Qual e’ l’origine della massa ?Perche’ il pattern di masse ?
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Il bosone di Higgs
Nel Modello Standard una particella a spin 0 che siaccoppia a bosoni e fermioni e’ responsabile della massadi tutte le particelle:
il bosone di Higgs.
Osservazione diretta di questa particella e’ necessaria per una conferma che tale meccanismo e’ corretto.
E’ l’unico pezzo mancante del Modello Standard
Sperimentalmente non si e’ trovato, ma si hannoindicazioni su dove potrebbe essere:
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La massa del bosone di Higgs
Unitarieta’
Il vuoto EW e’ il minimo assoluto
(GeV) - Scale of new Physics
Limiti teorici
Ricerca diretta
m(H) ! 114.4 GeV/c2
at 95% CL
DS
EW precision
m(H)" 144 GeV/c2
at 95% CL
EW precision
measurements
m(H)= 76 GeV/c2+33-24
V(#)=-$| # |2+ %| # |4
M(H)teoria < 1 TeV
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L’osservazione del microcosmo
I piu` piccoli
dettagli “risolvibili”
hanno dimensioni
confrontabili con %&
della radiazione
Particelle di alta energia sono gli
“esploratori del microcosmo”
elettrone % = h/E
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3) Identificare i prodottidell’interazione nel Rivelatore
1) Concentrare energia sulleparticelle nell’ Acceleratore
2) Fare collidere le particelle
E=mc2 : la massa si può trasformare in energia e viceversa
(annichilazione e produzione coppie)
La fisica ai collisori
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Teoria ed esperimento
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CERN, protoni da 800 keV 1930, E. Lawrence, protoni da 100 MeV
Cockroft Walton
I primi acceleratori
Ciclotrone
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Il sincrotrone
1975, SPS (CERN)p (450 GeV)
p (GeV/c) = 0.3 B (T) R (m)
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Rivelare le particelle
Dobbiamo avere dei punti in cui le particelle rilascianoenergia interagendo con del materiale “sensibile”
Due tipi di misure possibili:– Non distruttive: vogliamo studiare la traiettoria di una
particella senza disturbarla troppo– Distruttive: vogliamo misurare l’energia di una particella, per
cui facciamo in modo che trasferisca tutta la sua energia
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Rivelatori elettronici
Camera a multifili, Charpak 1967
- Rapidità di acquisizione- Processamento con computer
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Misure di impulso
Usiamo un campo magnetico; in talmodo la particella descriveun’elica con un raggio di curvatura inversamenteproporzionale all’impulso(perpendicolare a B) e all’intensita’ del campo magnetico
Maggiore è il campo magnetico, migliore la possibilità di misura
La particella deve attraversare poco materiale
Forza centrifuga =
forza di Lorentz
R
v'
F
(B
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Misure di energia
Usiamo una grossa quantità di materiale in modo che le particelle vi rilascino tutta l’energia prima di fermarsi
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Interazioni di vari tipi di particelle nella materia
Rivelatori ai collisori
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Il CERN
Fondata nel 1954 da 12 Paesi tra cui l’Italia
Oggi: 21 stati membri, 2500 persone, 700 MEuro di budget, 60 Paesi non membri.
Il CERN fornisce strumenti sofisticati per la ricercafondamentale in Fisica delle Particelle.
2004: 1 20 stati membri
7000 utilizzatori da tutto il mondo
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Il complesso degliacceleratori al CERN
24-Nov-1959: PS (Proton Sincrotron)
Funziona tutt’oggi! Accelera e-,e+ , p+,p-
27-Gen-1965: ISR (Intersecting Storage Ring)
Prima collisione al mondo protone-protone.
1979: SPS (Super Proton Sincrotron) (~7 km)
1983: SPS ) SppS:
Prima collisione al mondo Protoni-Antiprotoni
Premio Nobel a Rubbia per la scoperta W e Z.
1989: LEP (Large Electron Collider) (~27 km)
Accelera elettroni-positroni.
Dal 1989 al 1995 : E(e) = 50 GeV
Dal 1995 al 2000 nuove frontiere di enegia!
Stop nel 2000 ) trionfo del Modello Standard
2008 : LHC (Large Hadron Collider)
LEP/
-
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Large Hadron Collider
7x103 GeV Energia dei protoni
1011 protoni per “pacchetto”
2832 pacchetti
40.000.000 interazioni al secondo
p (7 TeV) – p (7 TeV)
(v = 0.99999998 c = c -10 Km/h)
Collisione tra quark o gluoni
1 particella nuova prodotta ogni 10-5 secondi
7.5 m (25 ns)
Progettato alla fine degli anni ’80, inizierà a funzionare il 10/9/08
Campi magnetici di 8 T grazie a superconduttività (2 K)
Costa 3 Euro a cittadino europeo, coinvolge 10000 fisici-ingegneri
4 interazioni “tra pacchetti “ ogni 10-7 secondi
1 interazione protone-protone ogni 10-9 secondi
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Le sfide di LHC
LHC inizierà a funzionare nel 2007. Una sfida enorme in molti campi !
acceleratori
rivelatori
computing
finanziamento
organizzazione
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I magneti di LHC
1232 dipoli SC lunghi 16 m2 beampipe indipendenti8000 magneti in tutto
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Gli esperimenti ad LHC
ATLAS CMS
LHCb
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Le zone sperimentali di LHC
Fra 80 e
140 m
sotto
terra
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Numero di scienziati: 1800
Numero di istituti: 164
Numero di nazioni: 35
ATLAS
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3/9/08 M.Paganoni 35Caverna di ATLAS
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Il rivelatore CMS
MUONI BARREL
CALORIMETRI
Microstrisce SilicioPixels
ECAL: cristalli PbWO4
Cathode Strip Chambers (CSC)Resistive Plate Chambers (RPC)
Drift TubeChambers (DT)
Resistive PlateChambers (RPC)
BOBINA SUPERCONDUTTIVA
GIOGO RITORNO
TRACKER
MUONIENDCAP
HCAL: scintillatore plastico
Compact Muon Solenoid
Numero di scienziati: 1961
Numero di istituti: 180
Numero di nazioni: 37
Peso totale : 12,500 tDiametro : 15 mLunghezza : 21.6 mCampo Magnetico : 4 Tesla
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Il rivelatore CMS
– 12500 tonnellate
– 150 m sotto terra
– Dimensioni: 22x15x15 m3 (ATLAS è 8 volte piùgrande)
– 250 m2 di silicio (una piscina non olimpionica)
– 100 milioni di canali di acquisizione
– Campo magnetico 100000 quello terrestre, su un volume di decine di metri cubi
– Ferro per il giogo del magnete nella stessa quantità di quello usato per costruire la torre Eiffel
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Rivelazione di particelle in CMS
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Trigger e readout
40 milioni di volte al secondo si incontrano i pacchetti dei protoni dai 2 fasci, producendo 20 interazioni sovrapposte.
Flusso di dati “vergini”: 80 TeraBytes al secondo– 100.000 CD al secondo!– Una torre di 100 metri di CD al secondo!
Con algoritmi di preselezione riusciamo a scrivere su disco molto meno, 200 Mbytes/s
Per trovare il bosone di Higgs necessari ~ 3 anni di dati raccolti, a 100 eventi al secondo = 6 PetaBytes = 6 milioni di GigaBytes
Per il processamento dei dati sono necessari ~ 10 minuti a evento– 10 min *100*(60*60*24*365*3)/3 = 31536000000 min = 8760000 ore
= 365000 giorni = 1000 anni
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Identificazione dell’Higgs ad LHC
Ci aspettiamo solo 1 Higgs ogni
1,000,000,000,000 eventi
I due fasci di protoni da 7 TeV produrranno800 milioni di eventi al secondo
*100 milioni di volte
l’energia degli
elettroni nel tubo
catodico della TV.
* L’energia
immagazzinata in
uno dei due fasci è
equivalente
all’energia cinetica
di un Jumbo Jet al
decollo lanciato ad
una velocità di ~154
km/h
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Ricerca del bosone di Higgs
– L’Higgs decade subito (10-22 sec), e lo può fare in quattro muoni
H Z
Z
! "
! "
pp
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Come ricostruiamo l’Higgs
Uno dei possibili modi in cui l’Higgs puo’ decadere e’ in due bosoni Z che poi a loro
volta decadono in 4 muoni.
Selezionando gli eventi che hanno almeno 4 muoni di alto momento
si ricostruisce la massa della particella eventuale che e’ decaduta nei 4 muoni:
Dove p sono i “quadri-momenti” dei 4 muoni selezionati:
MH
2# (p1 ! p2 ! p3 ! p4 )2
Avremo - se esiste- il picco del segnale e altri eventi di “fisica nota / Modello Standard”
che si distribuiscono a vari valori di M(4-muoni)
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Higgs o altro?
L’Higgs non e’ l’unica teoria che spiega la massa delle particelle.
La Supersimmetria e’ una altra teoria, che analogamente introduce dei campi di “Higgs”
in questo caso sono pero’ 5, insieme a molte altre particelle (le super-particelle!)
La Technicolor spiega come le particelle acquisiscano massa grazie alle interazioni con
altre particelle detti Tecni-pioni
Le Extra-dimension ipotizzano l’esistenza di zone di piccolo raggio nello spazio dove le
dimensioni non sono solo 4 (3 spaziali e 1 temporale) ma 6 o 8 o di piu’…
Oppure puo’ esserci tutt’altra spiegazione che ci fara magari capire come il nostro Modello
Standard sia solo una buona descrizione alle nostre energie, ma la vera teoria sia tutta
un’altra!
LHC sara’ una vera avventura, perche’ scopriremo forse quello che da anni cerchiamo, ma
forse qualcosa che non abbiamo mai immaginato..
LHC rappresentera’ l’esplorazione della frontiera della conoscenza per il prossimo decennio
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LHC ed il Big Bang
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Fisica delle Particelle in Italia
Lunga tradizione italiana nella Fisica delle Particelle– Fermi
• Fisica delle interazioni deboli
– Rubbia• Scoperta dei Bosoni W± e Z
– 2 premi Nobel italiani
Oggi:– In Italia: Istituto Nazionale di
Fisica Nucleare– Forti partecipazioni in esperimenti
a Ginevra (CERN), US (FermiLab, Stanford), Germania (DESY), Giappone (KEK)
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Spinoff della tecnologia di LHC
Progressi nei magneti superconduttori.
Progressi nella realizzazione di rivelatori veloci e resistenti alle radiazioni
Progressi nel calcolo distribuito su scala mondiale
Il guadagno più grande rimane quello che capiremo in più sul microcosmo e sul macrocosmo.
Utili anche per test
di reattori a
fusione nucleare
Utili anche in campo
medico, nello spazio
e per la sicurezza
Costruzione di un
supercomputer su
scala mondiale,
evoluzione del
concetto di WEB
Higgs, ma anche
supersimmetria, extra
dimensioni. supergravità,
stringhe…
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… un augurio per il futuro
Il prossimo decennio esplorerà una nuova frontiera dellaFisica delle Particelle.
Le nostre idee di massa, forza e particella elementare saranno messe alla prova radicalmente.
E’ una sfida tecnologica importante.
E’ una première di collaborazione a livello mondiale.
Scienza fondamentale e Scienza applicata funzionano insieme !
Una società avanzata trae grande vantaggio da entrambe !