Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino 1 1.Le particelle elementari 2.Il bosone di Higgs 3.Simmetrie nascoste 4.La storia dell’universo Torino, Master Class 28 Marzo 2014 Le particelle elementari, l'Higgs e quello che non sappiamo
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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino1 1.Le particelle elementari 2.Il bosone di Higgs 3.Simmetrie nascoste 4.La storia dell’universo.
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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino1 1.Le
particelle elementari 2.Il bosone di Higgs 3.Simmetrie nascoste
4.La storia delluniverso Torino, Master Class 28 Marzo 2014 Le
particelle elementari, l'Higgs e quello che non sappiamo
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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino2 Quello
che ci circonda estremamente complesso, spesso la sovrapposizione
di moltissime cose diverse. Pensate a questa aula: ci sono
moltissime cose che capitano in questo momento e scrivere le leggi
fisiche per descriverle praticamente impossibile. Problema:
Complessit del mondo Il riduzionismo il processo fondamentale usato
in fisica per la comprensione della realt: Le propriet dei sistemi
complessi si possono interpretare in termini delle propriet delle
parti pi semplici che li compongono e delle forze che intervengono
a comporli Soluzione: riduzionismo
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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino3 Una
propriet emergente una propriet di qualche totalit complessa che
non pu essere spiegata nei termini delle propriet delle sue parti.
Senatores boni viri, senatus autem mala bestia Comportamenti
emergenti sono spesso invocati in altre discipline tipo le scienze
sociali o biologia Comportamenti emergenti
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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino4
Lapproccio riduzionista in fisica delle particelle ha portato a
moltissimi progressi. Ogni ulteriore livello di riduzione porta con
se` una grande quantit di informazioni, il passaggio da un livello
a quello successivo avviene attraverso lo studio di simmetrie che
indicano la presenza di una sotto-struttura La fisica delle
particelle Oggi parliamo di quello che non sappiamo del prossimo
livello
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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino5
Possiamo definire una particella come elementare se si pensa che
non abbia sottostruttura. Questo vuol dire che non si pu rompere in
pezzi pi piccoli. Le particelle elementari misurate sono di 3 tipi:
1)Particelle che trasmettono le forze (4) 1)Particelle che formano
la materia (12) 1)La particella di Higgs (1+?) Cos una particella
elementare?
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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino6
Elementari: queste particelle sono ritenute senza struttura interna
(anche se non esclusa) Queste particelle si dicono materia, sono i
costituenti della materia Queste particelle si dicono messaggeri,
sono quelli che trasmettono le forze Notate la simmetria!!! 125
GeV/c 2
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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino7 Forza
gravitazionale : (che non consideriamo adesso) Forza
elettromagnetica: tiene uniti i protoni, i neutroni ed il nucleo
anche se di carica uguale messaggero: gluone carica: colore (3
tipi) radioattivit, attivit solare messaggeri: W e la Z carica:
debole Caduta dei corpi, moto stellare messaggero: gravitone
carica: Massa/energia magneti, atomi, chimica messaggero: fotone
carica: elettrica (1 tipo) Forza forte: Le forze ed i loro
intermediari Forza debole:
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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino8 Una
propriet fondamentale: lo spin delle particelle Le particelle
elementari ruotano su se stesse. Questa propriet si chiama spin. Se
lo spin 1.frazionario: , 3/2, 5/2 si chiamano fermioni 2.intero:
0,1,2 si chiamano bosoni Questo fatto, apparentemente secondario,
ha delle conseguenze importantissime sul comportamento delle
particelle
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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino9 Lo
spin: i bosoni ed i fermioni Le particelle di materia hanno tutte
spin : FERMIONI I messaggeri delle forze hanno tutti spin intero (1
o 2): BOSONI I fermioni interagiscono tra di loro scambiandosi
bosoni Le particelle bosoniche possono stare tutte nelle stesso
posto: -In una classe di studenti bosonici, serve una sola sedia
-Un posteggio infinito di macchine bosoniche ha un solo posto
Effetti di coerenza come la superconduttivit ed il laser sono
dovuti a questo fatto Fermione bosone
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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino10 quark
Einstein: E=mc 2 la massa si pu trasformare in energia e viceversa.
Attraverso urti tra particelle si possono creare altre particelle:
lenergia delle particelle viene trasformata in materia! Come si
creano le particelle in laboratorio? protone Si crea sempre materia
ed antimateria in quantit uguali
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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino11 s ct b
u d Lo zoo delle particelle: adroni Negli urti si creano centinaia
di particelle che sono in realta` stati legati: Barioni (qqq): p,n
Mesoni (q-anti q):
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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino12 I
decadimenti Le particelle piu` pesanti (sia elementari che
composte) decadono in particelle piu` leggere e e W I decadimenti
avvengono seguendo le regole (per esempio la conservazione della
carica) descritte dal Modello Standard
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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino13
Materia ed anti-materia Ogni particella di materia ha la sua
anti-particella. - I mediatori non hanno le antiparticelle: non
esistono gli anti-gluoni o gli anti-fotoni! - Le anti-particelle
hanno cariche opposte a quelle delle particelle Regola: se si
creano delle particelle in laboratorio si ottiene Tanta materia
quanto anti-materia, Tante cariche positive quante negative.
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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino14 u d e
e t b Due problemi connessi c s 1) I quark ed i leptoni sono
ripetuti 3 volte, ci sono 3 generazioni simili (ma non identiche)
Non si sa perch (ci deve essere un doppietto di quark per ogni
doppietto di leptoni, se no la teoria non rinormalizzabile, i conti
predicono delle probabilit = infinito) 2) Tuttavia: 3 generazioni
il numero minimo per permettere una differenza tra materia ed
anti-materia Quindi: Se ci fossero solo 2 generazioni non saremmo
qui poich tutta la materia ed anti-materia si sarebbero
annichilate. la nostra esistenza una ragione sufficiente?
Probabilmente no Dato che non sappiamo perch ci sono 3 generazioni,
stiamo cercando la quarta
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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino15 1.Non
si possono rompere 2.I bosoni hanno spin 1 o 2, i fermioni hanno
spin 3.Materia o portatori di forza 4.I fermioni hanno
unantiparticella 5.Le forze sono scambiate attraverso un bosone La
lista completa:16 particelle elementari 6 quarks (fermioni): up,
down, strange, charm, top, bottom 6 leptoni (fermioni): elettrone,
muone, tau, neutrino_e, neutrino_m, neutrino_tau 4 trasmettitori di
forza (bosoni): fotone, gluone, W, Z
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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino16
Simmetrie nella fisica delle particelle Le particelle prodotte
negli urti possono essere catalogate in famiglie: evidenza di
sottostruttura! Queste simmetrie sono state usate per predire
particelle mancanti K0K0 K+K+ ++ K0K0 K-K- -- 0 ; S= -1 S= 1 Q=0
Q=1 Q=-1 S= 0
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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino17
Simmetrie (cont-) Le simmetrie sono una guida nella ricerca di
nuovi fenomeni. La scoperta dei quark ne un esempio: s u d
Situazione iniziale: t 1995 ! c 1974 b 1977
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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino18
Simmetrie Nascoste Le simmetrie della natura sono spesso nascoste,
rotte da effetti che si sovrappongono. Esempio: le leggi della
fisica sono simmetriche per rotazione. Sulla terra invece, a causa
della gravit, questo non vero. Si dice allora che la simmetria
nascosta (o rotta) dalla gravit. La simmetria esiste, ma non si
vede pi La ricerca di simmetria nascoste il mestiere dei fisici
teorici
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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino19 La
massa delle particelle elementari Qual la simmetria tra le masse
particelle elementari? Cosa ci dicono questi valori di massa? 125
GeV
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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino20 Lidea
di Mr. Higgs Le particelle non hanno massa, e sono simmetriche tra
loro Questa simmetria nascosta (broken) dal fatto che il bosone di
Higgs, interagendo con le particelle, le rende massive !!!!!!
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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino21 Questa
idea apre la porta alla descrizione matematica delle interazioni
tra particelle, chiamata il MODELLO STANDARD, che possibile SOLO
SE: Tutte le particelle hanno massa nulla C una particella
assolutamente speciale, che non ne materia ne un messaggero di
forze, che spiega perch le particelle sono massive: Il bosone di
Higgs
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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino22 Il
bosone di Higgs ed il campo di Higgs Pensate al campo
elettromagnetico: il fotone la prova del campo elettromagnetico. la
particella di Higgs H la prova del campo di Higgs.
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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino23 Il
campo di Higgs Il concetto di campo in fisica comune, pensate ad un
campo elettrico tra le facce di un condensatore. Importante: il
campo elettrico ha una direzione. Il campo di Higgs analogo, ma uno
scalare, come la temperatura: Il campo di Higgs non ha una
direzione. Cos come il vuoto in un condensatore non esattamente
vuoto perch c il campo elettrico, cos lo spazio non esattamente
vuoto perch c il campo di Higgs. Il vuoto non assolutamente
vuoto!!
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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino24 La
massa dei leptoni e quark Idea chiave: Il campo di Higgs si incolla
alle particelle e crea la loro massa La massa una propriet che
viene acquisita attraverso linterazione con il bosone di Higgs:
sembrano avere massa perch interagiscono con il bosone di Higgs e
diventano pi difficili da spostare.
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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino25 Caccia
al bosone di Higgs Dal 1964, anno di pubblicazione dellarticolo di
Mr. Higgs che lo proponeva, la particella di Higgs stato il sacro
Gral della fisica, su cui si sono riversati fiumi di articoli,
soldi, notti insonni, matrimoni falliti, adrenalina, speranze e
delusioni.
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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino26 Tutto
cambiato il 4 luglio 2012.
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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino27 Come
si fa un bosone di Higgs? La teoria ci dice quali sono i meccanismi
di produzione: Si parte da due protoni due costituenti si fondono,
e si forma lHiggs
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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino28 Per i
curiosi
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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino29 Che
probabilit ha di crearsi un bosone di Higgs? Si riesce a fare un
bosone di Higgs una volta ogni 10 12 urti Nel modo in cui funziona
LHC adesso, si fa circa un Higgs ogni ora (secondo la teoria
attuale). Urto protone-protone che fa un Higgs Urto protone-protone
10 -12
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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino30 Come
facciamo a vederlo? Il bosone di Higgs non vive abbastanza a lungo
per essere misurato, ma decade subito in altre particelle. Dobbiamo
misurare la massa di coppie bb, oppure WW, ZZ, , e vedere se la
stessa.
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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino31
protone fotone Evento misura a CMS a Giugno 2011 E o non un Higgs
?
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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino32
protone muone Evento misura a CMS ad Agosto 2011 muone E o non un
Higgs muoni ?
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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino33
elettrone Evento misura a CMS ad agosto 2011 elettrone E o non un
Higgs elettroni ?
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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino34 1.Non
sappiamo scrivere una teoria in cui le particelle siano massive. La
particella di Higgs risolve questo problema. 1.Permea tutto lo
spazio. Non si era mai visto prima un effetto cos 2. la prima
particella elementare con spin 0 mai trovata. quindi un nuovo stato
della materia. 3. un nuovo tipo di forza: il campo di Higgs la
quinta forza della natura Perch lHiggs cos speciale?
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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino35
Abbiamo scoperto lHiggstuttavia: Cosa capita adesso I modelli
teorici prevedono che assieme alla particella Higgs si debbano
trovare altre particelle Per non abbiamo trovato altre particelle,
quindi: 1)Le troveremo nei prossimi anni (quando LHC a Ginevra
ricomincia a funzionare) 2)Le teorie sono sbagliate 3)Per far
tornare i conti dobbiamo moltiplicare la massa teorica dellHiggs
per 10 -16 I nostro colleghi teorici, in discussioni pre-LHC erano
molto sicuri di se: Abbiamo capito tutto: ad LHC troverete sia
lHiggs che altre cose. Abbiamo trovato lHiggs, ma niente
daltro!!
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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino36
Rapporto teorici-sperimentali prima e dopo LHC pre - LHC Fisico
teorico Fisico sperimentale post - LHC Fisico sperimentale Fisico
teorico
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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino37 E
adesso cosa facciamo? Ci sono domande fondamentali di cui non
sappiamo la risposta, abbiamo teorie che ipotizzano delle
soluzioni. Dobbiamo trovare delle nuove particelle per capire quale
delle teorie proposte sia quella giusta. LHC riparte tra qualche
mese con energia pi alta, speriamo di trovare cose nuove Adesso,
per capire le leggi della fisica, guardiamo il cielo
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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino38 Fisica
astro-particellare Gli istanti iniziali del nostro universo sono
stati governati dalle stesse forze che studiamo negli acceleratori,
per cui naturale guardare le stelle per capire cosa sia capitato..
Studiare le leggi che hanno regolato levoluzione delluniverso
equivalente a fare un enorme esperimento. provato che: 1.Ci sia
stato un big bang 2.Che ci sia stato un momento di rapidissima
espansione (inflazione) La fisica di LHC quella di 10 -11 sec dopo
il big-bang
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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino39
Lontano = indietro nel tempo Ci serve un concetto fondamentale,
usato sempre in astrofisica: Guardare lontano vuole dire guardare
indietro nel tempo. La luce di una galassia lontanissima ci ha
messo tantissimo tempo ad arrivare, e quindi ci racconta come era
la galassia quando partita. 1.Noi vediamo la luna comera 1.3
secondi fa 2.Noi vediamo il sole comera 500 secondi fa 3.Le stelle
al limite della nostra galassia comerano 100,000 anni fa
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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino40
Velocit di espansione delluniverso Consideriamo una macchina dei
pompieri con la sirena accesa. Guardando ed ascoltando possiamo
imparare due cose: -Sapendo la sua dimensione reale, dalla sua
dimensione apparente possiamo capire la posizione -Sapendo la sua
frequenza reale, dalla frequenza apparente possiamo calcolarne la
velocit (effetto doppler) Nelluniverso le macchine dei pompieri
sono le supernova 1 a: se ne conosce la luminosit e frequenza molto
bene. Dalla luminosit e frequenza apparente, possiamo ricavare la
posizione e velocit delle supernovae. supernovae lontane hanno
velocit minore di quelle vicine
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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino41 Dark
Energy Ricordiamoci: Supernovae lontane = supernovae pi antiche
Supernovae vicino = supernovae pi recenti. La velocit di espansione
di supernovae pi antiche pi lenta di quelle pi recenti Conclusione:
Nel passato, lespansione delluniverso era pi lenta, cio luniverso
sta accelerando. (premio Nobel per la fisica 2011). Esiste una
forma di energia che esercita una forza repulsiva: DARK ENERGY Non
abbiamo assolutamente idea cosa sia. (secondo il BigBang
lespansione dovrebbe rallentare a causa della gravit)
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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino42
Velocit di rotazione delle galassie Calcolo usando le stelle
visibili Consideriamo una galassia qualunque. Le stelle ruotano
intorno al centro della galassia, come i pianeti intorno al sole.
Usando le leggi di Newton e Keplero, si pu dimostrare che le stelle
alla periferia devono girare pi piano, cio che dove c meno materia
le stelle girano pi piano. In realt la velocit di rotazione
costante allaumentare del raggio
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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino43 Dark
matter La velocit di rotazione costante allaumentare del raggio:
per ottenere questo effetto ci deve essere tantissima altra
materia, che non fa luce, ma che produce forza gravitazionale: dark
matter E non sappiamo cosa sia Dark matter = 500% normal matter
!!!
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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino44 Un
problema ovvio Durante il big bang, cio il momento iniziale del
nostro universo, si creata tanta materia quanta anti-materia,
tuttavia abbiamo un ovvio problema: Dove finita lanti-materia?
Imbarazzante: non abbiamo idea => Abbiamo perso il 50% delle
particelle.. Nota: materia ed anti-materia non sono esattamente
uguali: se lo fossero sarebbero scomparse entrambe nello stesso
modo ed adesso ci sarebbe solo energia (questo problema si chiama
CP violation, una violazione di simmetria)
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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino45 Di
cosa fatto luniverso? Il 4-5 % costituito dalla materia che
conosciamo Il 22-25% costituito da Dark Matter: I.Non emette nessun
tipo di radiazione elettromagnetica. II.Fa ruotare le galassie pi
velocemente III.Una possibilit che contenga particelle
super-simmetriche Il 70 - 73% composto da Dark Energy 1.Riempie
uniformemente tutto lo spazio 2.Aumenta la velocit di espansione
delluniverso
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Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino46
Sommario Abbiamo trovato lHiggs (probabilmente) Non abbiamo trovato
altre particelle, quindi la nostra teoria principale, lo Standard
Model, non sa come spiegare alcuni aspetti della fisica che vediamo
ad LHC. Non sappiamo: 1.perch lanti-materia sia sparita 2.cosa sia
la materia oscura che fa girare le galassie 3.cosa sia lenergia
oscura che fa accelerare luniverso 4.quale sia stata la forza che
ha causato linflazione Abbiamo unarma segreta: voi! Venite ad
aiutarci