LHC-scienza - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare

LHC e la fisica moderna
Giuseppe Cerati
I.N.F.N. Milano Bicocca
Introduzione
Opposti nella scienza moderna:
• microscopico e macroscopico
• scoperte sensazionali e misteri profondi
• tecnologie avanzate e teorie fondamentali
Questi aspetti “contrastanti” non sono incompatibili,
anzi sono profondamente connessi.
Vedremo come LHC permette di approfondirli!
Cos’è LHC
LHC (Large Hadron Collider) è un acceleratore di
particelle costruito al CERN (Centro Europeo Ricerca
Nucleare) di Ginevra.
LHC studia le particelle elementari: i costituenti della
materia e le forze tra di essi.
Sono gli “oggetti” più piccoli che compongono noi e
l’Universo.
Per capire, tuttavia occorre partire da molto lontano…
Cosa ci circonda?
strada, compagni, banchi, sedie, quaderno, biro…
Che dimensione hanno?
kilometri, metri, metro, centimetri, millimetri…
Cosa uso per osservare/misurare?
gli occhi, il metro, il righello, il contachilometri…
Che forze interagiscono tra loro?
gravità, attrito, elettrica, magnetica…
Domande?
…
Possiamo fare questo gioco su >40
ordini di grandezza!
potenze di dieci
Verso l’infinito…
Forze
Gravità
gravity.html
siamo proprio sicuri che non ci siano altre forze?
Forza Debole
Misure cosmologiche
Radiazione Cosmica
di Fondo (CMB)
Lenti
gravitazionali
Redshift
Materia oscura, energia oscura
La scoperta dell’antimateria
Materia e antimateria sono
sempre prodotte in coppia.
Perchè l’Universo è fatto di
materia?
Violazione CP
La fisica delle particelle
ha evidenziato
un’asimettria tra
materia e antimateria:
la materia prevale.
Tuttavia,
quantitativamente,
questa asimmetria non
basta a spiegare il
dominio della materia
nell’universo.
Atomi, CMB
Nuclei
Scomparsa antimateria
Particelle elementari
(materia+antimateria)
Misteri cosmologici
• Cos’è la materia oscura?
• Cos’è l’energia oscura?
• Perchè l’Universo è fatto di materia?
• Cos’è successo nei primi istanti dopo il Big Bang?
• Qual’è il destino dell’Universo?
LHC proverà
a rispodere!
Verso l’infinitesimo
Metodi di misura
microscopio
elettronico:
10-6 m, cellule
forza atomica:
10-10 m, atomi
Come si studia la struttura dell’atomo?
Scattering
?
Grandi energie, piccole distanze
E=hn
L’atomo
Come sono distribuite le cariche positive e negative?
Il modello atomico di Thompson (1879):
• Un numero Z di elettroni
• Una distribuzione continua di cariche positive
L’esperimento di Rutherford (1909):
Modello per l’atomo
• Particelle leggere a carica negativa
(elettroni) orbitanti intorno ad un
nucleo positivo e pesante (Bohr, 1913)
• L’ atomo è praticamente vuoto
Il nucleo
• Composto da protoni di
carica +1 e neutroni di
carica nulla (Chadwick,
1932)
• In totale ha carica
positiva
• Gli elettroni orbitano per
la forza elettrica
• Protoni e neutroni sono
legati dalla forza forte.
I quarks
• Protoni e neutroni non sono
puntiformi ma costituiti da quark
(SLAC, 1968)
• Hanno carica frazionaria
• Non si riescono ad osservare da
soli: quando sono vicini sono liberi,
quando si allontanano si attraggono.
• Hanno un “colore”, ma le particelle
osservabli sono bianche!
Le forze
Modello quantistico:
L’interazione avviene grazie allo scambio di particelle
Le particelle responsabili
delle forze sono:
• Fotone (elettromagnetica)
• Bosoni W e Z (debole)
• Gluoni (forte)
• Esiste un Gravitone?
Unificazione delle forze
Forza elettrica e magnetica sono due facce della stessa
medaglia: forza elettromagnetica (Maxwell, 1864)
Forza elettromagnetica e forza debole sono
unificate ad alte energie (piccole distanze).
E’ possibile
una grande
unificazione
delle forze?
Il modello standard
Il modello standard non spiega la massa
delle particelle: bosone di Higgs?
Lo zoo delle particelle elementari
Misteri della fisica
• Cos’è la materia oscura?
• Cos’è l’energia oscura?
• Perchè l’Universo è fatto di materia?
• Cos’è successo nei primi istanti dopo il Big Bang?
• Qual’è il destino dell’Universo?
• Perchè le particelle hanno massa?
• Perchè sono divise in famiglie?
• Le forze sono unificate ad alte energie?
•…
LHC proverà a rispodere!
LHC (Large Hadron Collider)
• Acceleratore di particelle lungo 27 km
• Fasci di protoni ad altissima energia
(99.9999991% velocità della luce)
• Collisioni in corrispondenza di quattro
esperimenti
• Il posto più vuoto del sistema solare
(10-14 atm)
• Il posto più caldo (100000 volte più del
sole)…
• … e il più freddo (-271.3 oC=1.9 oK)!
• Gli esperimenti più grandi del mondo
• Il sistema di calcolo più potente
Perchè è fatto così?
E  mc
2
Materia e l’energia sono intercambiabili e
la materia è “energia concentrata”
LHC ricrea le condizioni calde e dense vicine alll’Universo primordiale.
I protoni si scontrano con tali energie che parte di essa si trasforma in massa
creando per brevi istanti particelle esistenti solo al tempo del Big Bang.
Lo scattering (collisioni) a bersaglio fisso permette di raggiungere
energie limitate. Il principio è lo stesso ma le collisioni tra fasci
permettono energie molto superiori.
Ogni protone ha un’energia di 7 TeV. Una mosca in volo ha circa
l’energia di 1 GeV. Però è 1012 volte più grande… LHC è straordinario
perchè concentra l’energia in uno spazio infinitesimo!
L’acceleratore
In realtà è una catena
di acceleratori che
portano i protoni a
circa la velocità della
luce.
Nel tunnel
• Campi elettrici in radiofrequenza accelerano i protoni
• Dipoli magnetici curvano la traiettoria
• Quadrupoli magnetici “focalizzano” i fasci
I campi sono prodotti da spire. Per campi intensi servono
correnti elevate: materiali superconduttori (basse temperature)
Video
Collisioni ad LHC
7x1012 eV
1034 cm-2 s-1
2835
1011
Beam Energy
Luminosity
Bunches/Beam
Protons/Bunch
7 TeV p p
colliding beams
Bunch Crossing 4x107Hz
Proton Collisions 109 Hz
e-
Parton Collisions
New Particle Production 105 Hz
(Higgs, SUSY, ....)
µ+
p
µ+
H
Z
c1-
µp
~
q
~
g
p
~
q
Z
q
µ-
ne
q
~
c20
q
p
m+
mc~1 0
Simulazione
Rivelatori: come vediamo le
particelle?
Non è possibile vedere (fotografare)
direttamente le collisioni ed i decadimenti
?
Rivelatore
Costruiamo un dispositivo attivo, che reagisce al
passaggio delle particelle in esame, e un sistema
di misurazione, che trasforma in un segnale
l’evento osservato.
Ricostruiamo ciò che è avvenuto osservando il
risultato dell’interazione delle particelle nella
materia: tipo di particella, momento, energia.
Caratteristiche dei rivelatori a LHC
• ermeticità
• identificazione di particella
– Posizione nello spazio
– Carica, velocità, massa, energia
• Molti strati, molti sotto-rivelatori ciascuno con
un ruolo particolare nella ricostruzione di
particelle dell’evento.
I 4 esperimenti
ATLAS: A Toroidal Lhc ApparatuS
ALICE: A Large Ion Collider Experiment
Ioni Pb:
quark gluon plasma (big bang)
General purpose: bosone di Higgs,
antimateria, particelle dark matter, …
Quark b: antimateria
CMS: Compact Muon Solenoid
LHCb: Large Hadron Collider beauty
CMS
Size: 21 m long, 15 m wide and 15 m high. Weight: 12 500 tonnes
Tecnologie e materiali
Stato di LHC
• Inaugurazione: 10 settembre 2008.
• Primi fasci hanno percorso l’acceleratore
• Guasto (19 settembre)
• Acceleratore di nuovo in funzione nell’autunno
2009
• Nel frattempo? Gli esperimenti si preparano alle
collisioni prendendo dati di raggi cosmici
• Servono a testare il funzionamento, calibrare
gli strumenti, allineare.
Il mio lavoro
Esperimento CMS
3600 people working for CMS, 3000 of which are scientists and engineers.
These people come from 183 institutes in 38 countries, spanning Europe,
Asia, the Americas and Australasia.
Ricerca del bosone di Higgs
Ricostruzione di tracce di particelle cariche
Conclusioni
• La scienza è piena di misteri e domande aperte
• LHC tenta di rispondere a molte di queste
• Probabilmente ne farà sorgere di nuove
• E’ un privilegio far parte di un progetto così importante
• Spero di non avervi annoiato…
• Per i più coraggiosi: le porte della ricerca sono aperte!