�Cosa cercano i fisici al CERN? �Dal bosone di Higgs alla materia oscura

Universo a km 0

29 Novembre 2024

Prima Ricercatrice dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Ferrara

Redattrice del sito divulgativo Scienza Per Tutti dell’INFN

Laura Bandiera

http://scienzapertutti.lnf.infn.it/

Credits to: N. Cartiglia–INFN Torino, Zanichelli

Cos’è l’INFN?

• L’INFN è l’ente pubblico nazionale di ricerca dedicato allo studio dei costituenti fondamentali della materia e delle leggi che li governano.

​

• L’INFN è stato istituito nel 1951 al fine di proseguire e sviluppare la tradizione scientifica iniziata negli anni ‘30 con le ricerche teoriche e sperimentali di fisica nucleare di Enrico Fermi e della sua scuola (i ragazzi di via Panisperna: Ettore Majorana, Bruno Pontecorvo, Emilio Segré…).

​

• Nello stesso periodo è iniziata la partecipazione dell’INFN alle attività di ricerca del CERN, il Centro europeo di ricerche nucleari (NON BELLICHE!!) di Ginevra.

http://home.infn.it/it/

Sezioni e Laboratori dell’INFN

Laboratori dell’INFN

Laboratori di Legnaro (PD)

Laboratori di Frascati

Laboratori del

Gran Sasso

Laboratori del Sud (CT)

VIRGO e le onde gravitazionali

European Gravitational Observatory (EGO)

Interferometro Virgo per onde gravitazionali

Ricadute tecnologiche: un esempio in medicina

La terapia adronica o adroterapia è una forma di radioterapia a fasci esterni che utilizza fasci di protoni, neutroni o ioni positivi per il trattamento dei tumori.

Oggi parliamo di Fisica Subatomica, �ovvero di Fisica delle Particelle

L’evoluzione della teoria atomica nel tempo

La scoperta dell’elettrone (1897)

L’esperimento di Thomson con i tubi di Crookes ha portato alla scoperta degli elettroni, particelle cariche negativamente che costituiscono le radiazioni definite raggi catodici.

L’esperimento di Rutherford (1909)

Rutherford determinò la natura delle particelle alfa (atomi di elio privi di due elettroni) con le quali poi bombardò una sottilissima lamina d’oro:

La scoperta del nucleo atomico

Le giuste proporzioni…

Gli atomi sono formati da tre particelle:

• l’elettrone con carica negativa (Thomson – 1897);

• il protone con carica positiva (Rutherford – 1919);

• il neutrone privo di carica (Chadwick 1932).

​

I costituenti dell’atomo

Massa del protone (e neutrone) è circa 2000 volte quella dell’elettrone!

L’evoluzione della teoria atomica nel tempo

Modello a quark

Comincia il viaggio nella fisica delle particelle !

L’evoluzione della teoria atomica nel tempo

Le 4 forze fondamentali della Natura

Forza gravitazionale:

Forza elettromagnetica:

tiene uniti i protoni, i neutroni nel nucleo

radioattività, attività solare …

Caduta dei corpi, moto stellare…

magneti, atomi, chimica…

​

Forza nucleare forte:

Forza nucleare debole:

Su cosa agiscono le forze?

Le 4 forze agiscono sulla materia..

che è composta dalle cosiddette

Particelle elementari (elettroni, quarks, neutrini….)

​

Studiare la fisica delle particelle elementari vuol dire cercare di rispondere a domande tipo:

​

• Di cosa è fatta la materia che ci circonda?
• Quale origine hanno le forze che tengono insieme i componenti della materia?

​

Cos’è una particella elementare?

Si possono distinguere due tipi di particelle che formano la materia:

​

• Puntiformi, che non si possono più dividere (tipo l’elettrone), che chiamiamo elementari
• Composte, che contengono altre particelle (protone, neutrone che contengono 3 quarks ciascuno)

​

Una particella può sembrare puntiforme ma non esserlo quando la si guarda meglio:

=> particelle che oggi riteniamo puntiformi possono in realta’ essere composte.

Particelle elementari

Ci sono due tipi di particelle:

​

• particelle che sono materia (fermioni)
• 12 in tutto

​

​

• particelle che mediano le forze (i mediatori o messaggeri - bosoni)
• 13 in tutto

(Ci sono altre possibili particelle elementari, ma per ora le ignoriamo..)

.. Facciamo un paragone… l’atomo e la

u

d

c

s

t

b

e

μ

τ

ν_e

ν_μ

ν_τ

Carica

elettrica

+2/3

-1/3

0

-1

quark

leptoni

piu’ pesante

La “tavola periodica” delle

particelle elementari che “formano” gli atomi

Fondamentali: queste particelle sono ritenute senza struttura interna (anche se non e` esclusa)

3 generazioni

Scoperte…

• muone (1936)
• neutrino (1953)
• quark up e down (1968)
• quark top (1995)
• leptone tau (2001)

u

d

c

s

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ν_e

ν_μ

ν_τ

Carica

elettrica

+2/3

-1/3

0

-1

quark

leptoni

piu’ pesante

La “tavola periodica” delle

particelle elementari che “formano” gli atomi

Fondamentali: queste particelle sono ritenute senza struttura interna (anche se non e` esclusa)

3 generazioni

Scoperte…

• muone (1936)
• neutrino (1953)
• quark up e down (1968)
• quark top (1995)
• leptone tau (2001)

u

d

e

ν_e

Carica

elettrica

+2/3

-1/3

0

-1

In realtà, gli atomi sono fatti solo dale particelle della prima Colonna..

u

d

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b

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ν_e

ν_μ

ν_τ

Carica

elettrica

+2/3

-1/3

0

-1

quark

leptoni

piu’ pesante

I mediatori/messaggeri:

g gluoni (8)

γ fotone

W⁺,W^-, Z bosoni

gravitone (?)

Ci sono anche i “messaggeri” delle forze

3 generazioni

I mediatori/messaggeri:

g gluoni (8)

γ fotone

W⁺,W^-, Z bosoni

gravitone (?)

Ci sono anche i “messaggeri” delle forze

Scoperti da Carlo Rubbia nel 1983

al CERN Super Proton Synchrotron

Nobel per la Fisica 1984

Ma cosa sono i “messaggeri” delle forze?

Esempio pratico:

compito in classe di fisica

Studente bravo

(particella di materia)

Studente meno bravo

(particella di materia)

Le particelle di materia si attraggono o si respingono mediante particelle “messaggeri”

Le "forze" sono gli effetti dei mediatori di forza sulle particelle materiali.

Lo zoo delle particelle composte: adroni

I quark non sono mai

liberi, ma vivono dentro altre particelle, come protone e neutrone

​

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

​

​

Gli anti-elettroni:

i positroni (C. Anderson 1932)

Nell’emissione β+ (positrone o anti-elettrone) o nella cattura di un elettrone, un protone si trasforma in neutrone, ma rimane inalterato il numero di massa, ovvero il numero totale di neutroni + protoni.

​

1 parte su 10000 di potassio che assumiamo nella dieta è composto dall'isotopo radioattivo potassio-40 ->la dose equivalente a una banana rappresenta circa l'1% della dose di radiazione naturale giornaliera media.

L’antimateria per le diagnosi mediche

L’emissione β+ viene utilizzata in medicina nucleare per la PET (tomografia a emissione di positroni).

Attraverso urti tra particelle si possono creare altre particelle: l’energia delle particelle viene trasformata in materia!

​

quark

Einstein: E=mc²

la massa si può trasformare

in energia e viceversa.

​

Come si creano le particelle in laboratorio?

protone

protone

Si crea sempre materia ed antimateria in quantità uguali

Un problema ovvio

Durante il big bang, cioè il momento iniziale del nostro Universo, si è creata tanta materia quanta anti-materia, tuttavia abbiamo un ovvio problema:

Dove è finita l’anti-materia?

Imbarazzante: non ne abbiamo idea

=> Abbiamo perso il 50% delle particelle..

Un problema ovvio

Durante il big bang, cioè il momento iniziale del nostro Universo, si è creata tanta materia quanta anti-materia, tuttavia abbiamo un ovvio problema:

Dove è finita l’anti-materia?

Imbarazzante: non ne 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 E NOI NON SAREMMO QUI!!!!!!

Esperimento NA48 (1997-2004)

Al Super Proton Synchrotron

Esperimento LHCb (2010 – ad oggi)

Al Large Hadron Collider

La massa delle particelle

Idea chiave:

​

Le particelle non hanno massa

​

La massa è una proprietà che viene acquisita attraverso l’interazione con il bosone di Higgs: sembrano avere massa perché

interagiscono con il campo di Higgs e diventano più difficili da spostare.

​

L'idea è che organizzi una festa, ci sono molte persone in piedi e sono distribuite in modo abbastanza uniforme nella stanza.

Poi c'è un fruscio e un rumore: il Primo Ministro Margaret Thatcher entra nella stanza e si dirige verso il centro, e tutti si affollano intorno a lei.

Lei rappresenta una particella che cerca di attraversare il campo di Higgs: le persone alla festa rappresentano il campo di Higgs e, quando lei entra, il campo si raggruppa intorno a lei, ostacolando il suo movimento

Questo rallenta la sua velocità rispetto a quella della luce, il che equivale a conferirle massa (inerzia).

Ecco come l’interazione col campo di Higgs da massa alle particelle!

Tutto assieme

Le particelle che avete visto fino ad adesso (quark, leptoni, messaggeri) vengono descritte da un modello matematico chiamato

Modello Standard

• Descrive moltissimi dati sperimentali con grande accuratezza
• Si è trovato il bosone di Higgs (4 Luglio 2012) che spiega perché abbiamo MASSA

La Materia

Le Forze

Modello Standard

In formule

Cosa serve per cercare �il bosone di Higgs? (1989)

​

• Vent'anni di lavoro

​

• Collaborazioni di migliaia di scienziati e tecnici

​

• Spostare in avanti i limiti della tecnologia

​

Come si cerca il bosone di Higgs?

Il bosone di Higgs è raro: 1 ogni 10¹⁰ collisioni

Un granello di sabbia in un secchiello!

​

Ingredienti: collider

Per produrre efficacemente un bosone di Higgs occorre

• Accelerare i protoni a più di 1 TeV
• Un tunnel da decine di Km e magneti potentissimi

Ingredienti: collider

Gli acceleratori sono macchine del tempo

Lago di Ginevra

Ingredienti: un tunnel da 27 Km

IL GRANDE COLLISORE DI ADRONI

THE LARGE HADRON COLLIDER

I Rivelatori

CMS

ATLAS

2002

Obiettivo: acquisire 40 milioni

​

di volte al secondo 100 milioni

​

di canali di elettronica

• ~ 60 TB/s
• Equivalente a quella che genererebbe

l’intera umanità se ognuno facesse �20 telefonate contemporaneamente

Acquisizione dati

Analisi Dati: World-Wide Web and HTML

• 1989: WWW has been invented at CERN
• 1991: Official birthday of HTML

​

​

Tim Berners-Lee

Italia 60 M€/anno (12%)

Più di 13000 scienziati (15% italiani – i più numerosi)

Oscuri Segreti

Abbiamo un problema:

Quello che vi ho raccontato finora spiega solo il 5% dell’Universo….

Ed anche non benissimo…

​

• Nel Modello Standard i neutrini non hanno massa; ma noi sappiamo che ce l’hanno (anche grazie agli esperimenti al Gran Sasso);

​

• La gravità non è inclusa.

​

​

Oscuri Segreti

Abbiamo un problema:

Quello che vi ho raccontato finora spiega solo il 5% dell’Universo…. Ed il restante 95%?

Cosa sappiamo del 95% dell’Universo?

​

​

Sappiamo che c’è perché ne vediamo il suo effetto gravitazionale

​

Il 25% è costituito da MATERIA OSCURA (che rappresenta il 90% della Materia):

• Non emette nessun tipo di radiazione elettromagnetica
• Fa ruotare le galassie più velocemente

​

Il 70 % è composto da ENERGIA OSCURA:

• Riempie uniformemente tutto lo spazio
• Aumenta la velocità di espansione dell’Universo

​

E’ cominciata la caccia alla materia e all’energia oscure…..

Lenti gravitazionali

La presenza di Materia Oscura può curvare il percorso della luce facendo apparire archi, cerchi (croci di Einstein)

Questi studi hanno permesso di valutare che circa il 90% della massa dell’Universo è nella forma di Materia Oscura!

La natura della materia oscura

• La natura della materia oscura è al momento ignota (non emette radiazione elettromagnetica)

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​

• La sua comprensione e’ uno dei problemi più interessanti della fisica di questo momento.

​

​

• Una delle ipotesi è che si tratti di un gas di particelle circa cento volte piu’ pesanti del protone e con interazioni debolissime (interazione debole) finora mai osservate in laboratorio.

​

ATLAS e CMS al Large Hadron Collider cercano la materia oscura

Come si cerca la materia oscura agli acceleratori di particelle?

Lake of Geneva

COSA FACCIO IO AL CERN?

Area Nord

@Super Proton Synchrotron

Lake of Geneva

COSA FACCIO IO AL CERN?

Ricerca di Nuova Fisica oltre il Modello Standard

Mediante studio di decadimenti rari dei kaoni

(particelle costituite da almeno un quark strano)

Lake of Geneva

COSA FACCIO IO AL CERN?

Ricerca di Nuova Fisica oltre il Modello Standard

Mediante studio di decadimenti rari dei kaoni

(particelle costituite da almeno un quark strano)

Sviluppo del rivelatore per misurare l’energia di raggi gamma

OREO

Alla ricerca della Forza oscura….�La QUINTA FORZA FONDAMENTALE ed il fotone oscuro..

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In questo modello, il fotone oscuro sarebbe il messaggero di una nuova forza, attraverso la quale la materia oscura interagirebbe con il mondo ordinario (Standard Model), così come il fotone lo e’ per la forza elettromagnetica.

COSA FACCIO IO AL CERN?�

Sviluppo della sorgente di positroni

La “fabbrica” di bosoni di Higgs

HIGGS FACTORY

Collisore di materia e antimaterial

(elettroni e positroni)

​

Charles Thomson Rees Wilson (1869–1959)

​

Scoperta del positrone 1932 C. Anderson

Scoperta del muone 1936, C. Anderson

​

Charles Thomson Rees Wilson (1869–1959)

​

Scoperta del positrone 1932 C. Anderson

Scoperta del muone 1936, C. Anderson

​

The Nobel Prize in Physics 1927

Arthur Holly Compton

"for his discovery of the effect named after him"

Charles Thomson Rees Wilson

"for his method of making the paths of electrically

charged particles visible by condensation of vapour”

​

The Nobel Prize in Physics 1936

Victor Franz Hess

"for his discovery of cosmic radiation"

Carl David Anderson

"for his discovery of the positron"

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End of 2022 run @SPS

@CERN SPS

GRAZIE DELL’ATTENZIONE!