La storia della fisica delle particelle

1. La storia della fisica delle particelle M. Cobal, Dipartimento di Fisica Universita’ di Udine

2. Come funziona l’Universo? Da dove viene? Dove va? Quali sono i componenti ultimi della materia? Come “si muovono”? Che cosa “li muove”? Introduzione • La Fisica delle particelle affronta le domande fondamentali della storia del pensiero:

3. Introduzione • La Fisica delle Particelle non e’ solo una classificazione “zoologica” delle particelle esistenti in Natura, bensi’ aspira a comprendere il motivo della loro esistenza e le regole che le governano • Molti altri rami della Fisica sono quindi riconducibili ad essa: • La comprensione del Big Bang passa attraverso la comprensione • della gravita’ quantistica ossia la spiegazione del comportamento • della Natura quando i campi gravitazionali hanno intensita’ confrontabili alle forze nucleari • La comprensione della struttura a larga scala dell’Universo • (Inflazione, Costante Cosmologica) andra’ ricercata nella teoria • finale unificata e nello spettro di particelle che la compongono

4. Un confronto dimensionale Cosmologia Astronomia Astrofisica (cm) 1020 1010 ~ Geofisica Antropologia, Psicologia Dimensioni (cm) 1 Biologia, fisica dei fluidi, Solidi, gas Chimica 10-10 Fisica molecolare e atomica Fisica nucleare Fisica delle particelle elementari 10-20

5. Di cosa e’ fatto il mondo? • L'uomo è giunto a capire che la materia è in realtà un agglomerato di pochi elementi fondamentali, che costituiscono tutto il mondo della natura. • La parola "fondamentale" è una parola chiave: • Per elementi fondamentali intendiamo oggetti che sono semplici e privi di struttura interna (cioe’ non composti da qualcosa di più piccolo) • Domande: • Esistono mattoni fondamentali? • Quali sono I mattoni fondamentali? • Come interagiscono? • Come determinano le proprieta’ dell’Universo?

6. La Rivoluzione Greca • Circa 2500 anni fa i filosofi greci cominciarono a chiedersi: “di cosa e’ fatto il mondo?” e a cercare riposte usando la logica anziche’ la religione • Talete di Mileto (600 AC): acqua… • Anassimene: aria… • Pitagora: numeri… • Eraclito: fuoco… • Empedocle: • Quattro elementi: Acqua, aria, terra, fuoco • Uniti o separati da forze “morali” (amore e odio)… • Democrito (~400 AC): • Tutto costituito da particelle invisibili e indivisibili: atomi • Peso e forma diversa, combinati formano nuove sostanze

7. L’atomo e’ fondamentale? • Alchimia Chimica (1780 1870) • Classificazione degli atomi in base alle proprieta’ chimiche • Evidenza di una “periodicita’” (Mendeleyev) • Indicazioni di una struttura comune degli elementi La Tavola Periodica

8. L’atomo e’ fondamentale? • Ricorriamo all’esperimento: • si guarda dentro l'atomo, usando particelle come sonde • L'atomo ha una struttura interna, e non e’ una semplice “pallina” permeabile DOMANDE ? TEORIA ESPERIMENTO

9. Stato della Fisica intorno al 1895 • Leggi di Conservazione • Energia • Impulso • Momento Angolare

10. Stato della Fisica intorno al 1895 • Lord Kelvin— un’autorita’ del suo tempo • Si oppone fortemente alla teoria atomica • “There is nothing new to be discovered in physics now. All that remains is more and more precise measurement." • Albert A Michelson— il primo premio Nobel americano • “The grand underlying principles have been firmly established...further truths of physics are to be looked for in the sixth place of decimals" (Science, 1892)

11. I 30 anni che sconvolsero la fisica! 1873 Teoria elettromagnetica di Maxwell 1874 George Stoney sviluppa la teoria dell’ elettrone e ne ipotizza la massa. 1895Röntgen scopre I raggi X. 1898 Marie e Pierre Curie separano gli elementi radioattivi, Thompson misura l’ elettrone e sviluppa il suo modello atomico 1900Planck suggerisce che la radiazione sia quantizzata 1905Einstein descrive il fotone come quanto di luce, che si comporta come una particella. Propone inoltre l’ equivalenza tra massa ed energia, la dualita’ onda-particella, la relativita’ speciale 1911Rutherford capisce che l’atomo ha un nucleo interno 1913Bohr costrusce una teoria atomica basata sulla quantistica. 1919Rutherford fornisce la prima evidenza dell’esistenza del protone

12. Come si guarda dentro la materia? Rutherford (~1910) – classico esperimento bombardamento di particelle su bersaglio (foglio d’oro) Esperimento di Geiger & Marsden ! q

13. Modello atomico di Rutherford Angle q Conclusione L’atomo contiene un nucleo di carica positiva di dimensione <10 fm [1 fm = 10-13 cm] 0.000,000,000,000,1 cm Nuovo Modello atomico

14. Cosa succede negli anni ’20? 1921Chadwick e Bieler concludono che una qualche forza forte tiene insieme il nucleo 1923Compton scopre la natura particellare dei raggi X 1924de Broglie propone che la materia abbia caratteristiche di onda 1925Pauli formula il principio di esclusione per elettroni atomici. Bothe and Geiger dimostrano che massa ed energia si conservano nei processi atomici 1926 Schroedinger sviluppa la meccanica ondulatoria. Born da’ una interpretazione probabilistica della quanto-meccanica . 1927 Si osserva che alcuni materiali emettono elettroni (decadimento beta). Atomo e nucleo hanno livelli di energia discreti: come possono emettere elettroni con uno spettro di energia continuo? Heisenberg formula il principio di indeterminazione. 1928Dirac combina la meccanica quantistica e la relativita’ speciale per descrivere l’ elettrone.

15. Cosa succede negli anni ’30? 1930Pauli parla del neutrino per spiegare lo spettro dell’ e nel decadimento b 1931Dirac capisce che le particelle a carica positiva richieste dalla sua equazione sono oggetti nuovi (“positroni”). Si parla di anti-materia! Chadwick scopre il neutrone. Si indaga su legami nucleari e decadimenti 1933-4 Anderson scopre il positrone. Fermi elabora una teoria per il decadimento b: introduce la forza debole. Yukawa descrive le interazioni nucleari come lo scambio di nuove particelle (I “pioni”) tra protoni e neutroni interactions by an exchange of new particles (mesons called "pions"). Questa teoria adesso e’ sorpassata 1937 Studiando I raggi cosmici, viene scoperta una particella di massa 200 volte la massa dell’e. All’inizio si pensa che sia la particella di Yukawa. Si capisce poi che invece e’ il muone. 1938 Stuckelberg osserva che protone e neutrone non decadono in elettroni, neutrini o muoni. La stabilita’ del protone non si puo’ spiegare in termini di conservazione dell’energia e della carica.

16. Il nucleo e’ fondamentale? • Il nucleo e’ composto di protoni(carica elettrica positiva) e di neutroni (privi di carica elettrica) • Anche i protoni e i neutroni hanno una struttura: sono • composti da particelle fondamentali chiamate quark. • Ma per vedere questo ci vorra’ ancora un po’ di tempo…

17. Una sorgente naturale di particelle • I fisici delle particelle scoprirono ben presto che in natura vi era una copiosa sorgente di particelle di alta energia: i raggi cosmici I raggi cosmici sono particelle cariche di alta energia, soprattutto protoni, che provengono dallo spazio e arrivano fino alla superficie atmosferica della terra. Collisioni fra raggi cosmici e molecole di aria avvengono continuamente… Protoni dallo spazio Collisione con le molecole d’aria Soprattutto Muoni Terra Ferma

18. Cosa succede negli anni ’40? 1941 Moller e Pais introducono il termine "nucleone" come termine generico per protoni e neutroni. 1946-47 Si capisce che la particella trovata nei raggi cosmici e creduta il mesone di Yukawa e’ in realta’ un "muone“, la prima particella della seconda generazione delle particelle fondamentali che costituiscono la materia. Il commento di Rabi: "who ordered that?" Si introduce il termine leptone per indicare oggetti che non interagiscono in modo forte (elettroni e muoni sono leptoni) 1947 Si trova un mesone coinvolto in interazioni forti nei raggi cosmici: e’ il pione. Si sviluppano delle procedure per calcolare le proprieta’ elettromagnetiche di elettroni, positroni e fotoni. Introduzione dei diagrami di Feynman. 1948 Il Sincro-ciclotrone di Berkeley produce il primo pione 1949 Fermie Yang suggeriscono che il pione sia composto da un nucleone ed un anti-nucleone. Viene scoperta la K+.

19. L’ “esplosione” delle particelle • Lo studio delle interazioni dei raggi cosmici porto’ alla scoperta di un grande numero di nuove particelle: • 1931 - Il positrone (e+) • 1936 - il muone (m) • 1947 - Pioni, kaoni, iperoni Nello stesso tempo Ernest Lawrence imparava a costruire acceleratori di particelle in laboratorio… Ottenendo intensita’ molto piu’ grandi che nei raggi cosmici!

20. Cosa succede negli anni ’50? 1950 Viene scoperto il pione neutro (p0). 1951 Si scoprono le particelle strane L0 e K0. 1952 Viene scoperta la particella Delta: ne esistono 4 tipi diversi (D++, D+, D0, and D-). Glaser inventa la camera a bolle (ispirato dalla birra..) Il cosmotrone di Brookhaven, a 1.3 GeV, comincia a funzionare. 1953Comincia l’era della “esplosione delle particelle” 1953-7 Sparando elettroni contro nuclei, si “vede” una distribuzione di densita’ di carica nel protone e nel neutrone. Questo suggerisce la presenza di una qualche struttura interna, 1954 Yang e Mills sviluppano una nuova classe di teorie chiamate “teorie di gauge “. Questo tipo di teorie sono alla base del Modello Standard. 1955 Chamberlain e Segre scoprono l’anti-protone. 1957 Schwinger propone l’unificazione della forza debole ed elettromagnetica. 1957-9 Schwinger, Bludman, e Glashow, suggeriscono che tutte le interazioni sono mediate da bosoni carichi pesanti. Yukawa fu il primo – 20 anni prima – a parlare di scambio di bosoni, ma propose il pione come mediatore della forza debole..

21. Dov’e’ l’ordine? Con i nuovi acceleratori di particelle e nuovi rivelatori (camera a bolle)a disposizione i fisici delle particelle negli anni 1950s si divertirono un mondo… p e - nm S0 S- ne K+ n S+ r K0 K- p p0 L m

22. Particelle protone p neutrone n elettrone e - neutrino elettronico e muone negativo - neutrino muonico  pione negativo - pione neutro  0 fotone  Antiparticelle antiprotone antineutrone positrone e + antineutrino elettronico muone positivo  + antineutrino muonico pione positivo  + pione neutro  0 fotone  Particelle ed Antiparticelle Massa Carica Vita media Spin Stessa massa, e vita media,carica e momento magnetico opposti Plate of steel B positron

23. All’ inizio erano poche… E molte piu’….

24. Servono energie sempre maggiori… Per testare le nuove teorie i fisici delle particelle hanno bisogno di alte energie COLLISIONI FRA FASCI DI PARTICELLE! TARGHETTA FISSA Energia a disposizione per produrre nuove particelle:~ Ebeam COLLISIONI FASCIO-FASCIO Energia a disposizione per produrre nuove particelle ~Ebeam

25. Un moderno accelleratore In queste macchine, fasci di particelle sono accellerati quasi alla velocita’ della luce e fatti collidere in punti scelti della loro orbita

26. Accelleratori • 1983: CERN pp collider • E = 540 GeV  W+- (80 GeV), Z0 (91 GeV) • 1995: Fermilab Tevatron pp collider • E=1.8 TeV  top quark (175 GeV) • ¼ 2008: CERN LHC pp collider • E=14 TeV  discover Higgs? • ????: Linear e+e- Collider • E=1-2 TeV  study Higgs in detail

27. Cosa succede negli anni ’60? 1961 Il numero delle particelle aumenta! Uno schema matematico di classificazione (il gruppo SU(3)) guida i fisici a riconoscere “percorsi” in particelle diverse. 1962 Si verifica sperimentalmente che ci sono due diversi tipi di neutrino (elettronico e muonico), come predetto teoricamente (Lederman, Schwartz, Steinberger). 1964 Gell-Mann e Zweig introducono l’idea dei quark. Glashow e Bjorken inventano il termine "charm" per il quarto (c) quark. Osservazione della violazione di CP nel decadimento dei Kaoni (Cronin e Fitch) 1965 Greenberg, Han, e Nambu introducono la proprieta’ “carica di colore” dei quark . 1967 Weinberg e Salam separatamente propongono una teoria che unifica le interazioni elettromagnetiche e deboli nelle interazioni elettrodeboli. La loro teoria richiede l’esistenza di un bosone neutro che interagisce debolmente: lo Z0. 1968-9 Bjorken e Feynman analizzano i dati di scattering di elettroni usando un modello che prevede componenti per il protone. Usano la parola “partone” invece di quark.

28. mesoni qq + - 0 ++ uud ddd udd uuu p n us ds K+ K0 0  + - uus dds uds du uu,dd,ss ud - + 0   dss uss - 0 sd su K0 - K- sss “The 8-fold way” barioni qqq Nel 1961 Gell-Mann & Ne’eman ebbero per la fisica delle particelle lo stesso ruolo di Mendeleev 100 anni prima con gli atomi “fondamentali”

29. Quarks Negli anni 1960 > 50 particelle elementari Tavola periodica! Si introducono 3 quark per spiegare la periodicita’ Ma i quark non erano considerati particelle reali!! • Si capisce che anche protoni e neutroni non sono unita’ fondamentali • Sono composti da particelle piu’ piccole dette quarks • Per il momento questi quarks sembrano essere puntiformi

30. L’ atomo moderno • Una nuvola di elettroni in moto costante intorno al nucleo • Protoni e neutroni in moto nel nucleo • Quarks in moto nei protoni e nei neutroni

31. Dimensioni (sub)-atomiche • Il nucleo e’ 10,000 volte piu’ piccolo dell’atomo • Il protone ed il neutrone sono 10 volte piu’ piccoli del nucleo • Non ci sono evidenze che i quarks abbiano dimensione

32. Proprio come l’ordine della tavola periodica era dovuto ai tre componenti fondamentali, cosi’ Gell-Mann e Zweig proposero che tutti gli “adroni” fossero costituiti da tre oggetti che vennero chiamati “quarks” p uud n udd p+ ud p0 uu p- du K+ us K0 ds K- su K0 sd OrdineCostituenti fondamentali Down UP Strange I quark hanno cariche elettriche pari a 2/3, -1/3. -1/3 della carica dell’elettrone D++ uuu D+ uud D0 udd D- ddd W- sss

33. Cosa succede negli anni ’70? 1970Glashow, Iliopoulos, e Maiani (GIM) capiscono l’ importanza di un quarto tipo di quark nel contesto del Modello Standard. 1973 Prime indicazioni dell’ esistenza di correnti deboli neutre (per scambio di Z0) Viene formulata una teoria quantistica di campo per le interazioni forti (QCD) Politzer, Gross, e Wilczek scoprono che la teoria di colore delle interazioni forti ha una proprieta’ speciale, detta “liberta’ asintotica”. 1974Richter e Ting, leading independent experiments, announce on the same day that they discovered the same new particle J/Y, bound state of charm anti-charm). 1976 Goldhaber e Pierre trovano il mesone D0 (quark anti-up e charm). Il leptone tau viene scoperto da Perl e collaboratori a SLAC. 1977 Lederman ed i suoi collaboratori scoprono il quark-b a Fermilab. 1978 Prescott e Taylor osservano interazioni deboli mediate dallo Z0 nello scattering di elettroni polarizzati da deuterio: il principio di conservazione della parita’ viene violato, come predetto dal Modello Standard. 1979 Vengono identificato gluoni irraggiati da quark o antiquark allo stato iniziale

34. Una nuova teoria • I fisici hanno elaborato una teoria, chiamata Modello Standard che vuole descrivere: • tutta la materia • tutte le forze dell'universo (escludendo per ora la gravità) • La sua bellezza sta nella capacità di spiegare centinaia di particelle e interazioni complesse con poche particelle e interazioni fondamentali Semplicita'

35. Il Modello Standard • Nel Modello Standard esistono due generi di particelle: • Particelle materiali: il Modello Standard sostiene che la maggior parte delle particelle materiali finora conosciute è composta di particelle più fondamentali (quark). C'è anche un'altra classe di particelle materiali fondamentali, i leptoni (un esempio è l'elettrone). • Particelle mediatrici di forza: Ogni tipo di interazione fondamentale agisce "mediante" una particella mediatrice di forza (un esempio è il fotone).

36. Perche’ 3 famiglie?Ve ne sono di piu’? 2a generazione 3a generazione 2/3 2/3 -1/3 -1/3 0 0 -1 -1 Fermioni: i componenti fondamentali Le particelle elementari: i fermioni 1a generazione Massa (MeV) Carica (e) Quarks Leptoni

37. Unita’ usate nella fisica delle particelle Energia: electron-volt: 1 eV = 1.6x10-19 J Energia che l’elettrone guadagna attraversando una ddp di 1 Volt E = mc2, si pone c=1! Unita’ naturali Massa: electron-volt proton mass mp = 938.27 MeV Momento: electron-volt

38. I leptoni • I leptoni sono sei: • tre hanno carica elettrica (negativa) • tre non hanno carica elettrica • Il leptone carico più conosciuto è l'elettrone (e). Gli altri due leptoni carichi sono il muone (µ) e il tau (t) • Muone e tau sono repliche dell’elettrone con massa piu’ grande • I leptoni neutri si chiamano neutrini: • c’e’ un neutrino corrispondente a ogni leptone carico • hanno massa molto piccola (ma non nulla)

39. I quarks • Ci sono 5 ordini di grandezza fra la massa del quark piu’ leggero (up) e quello piu’ pesante(top)! La miglior misura della massa oggi: M(top)=178 GeVcon un errore di 4.3

40. Adroni • I singoli quarks: • hanno cariche elettriche frazionarie • non sono mai stati osservati direttamente • Si riuniscono in gruppi in particelle dette “adroni”: • Le combinazioni dei quark possibili sono tali che la somma totale delle cariche elettriche sia un numero intero: due (qq=mesoni) o tre (qqq=barioni) • Ma c’e’ molto di piu’…per capirlo bisogna introdurre le interazioni fra i quark

41. Le forze • L'universo che conosciamo esiste perché le particelle fondamentali interagiscono: • decadono • si annichilano • reagiscono a forze legate alla presenza di altre particelle (per esempio nelle collisioni). • Ci sono quattro interazioni(forze) tra le particelle: • Gravita’ • ElettroMagnetica • Forte • Debole

42. e e e e Diagramma di Feynman  g   m m Come interagiscono le particelle? • Le particelle si attraggono o si respingono mediante particelle “messaggeri” (quanti del campo) • Quelle che noi chiamiamo comunemente "forze" sono gli effetti dei mediatori di forza sulle particelle materiali.

43. Che cosa tiene il mondo insieme? spin = 1 (bosoni))

44. Gravita’ • La forza gravitazionale è probabilmente la forza che ci è più familiare: • non è compresa nel Modello Standard perché i suoi effetti sono piccolissimi nei processi tra le particelle • Anche se la gravità agisce su ogni cosa,è una forza molto debole qualora le masse in gioco siano piccole • La particella mediatrice di forza per la gravità si chiama gravitone: la sua esistenza e’ prevista ma non e’ ancora stata osservata

45. Elettromagnetica • Molte delle forze che sperimentiamo ogni giorno sono dovute alle interazioni elettromagnetiche nella materia: tengono assieme gli atomi e i materiali solidi • la carica elettrica (positiva/negativa) e il magnetismo (nord/sud) sono diverse facce di una stessa interazione, l'elettromagnetismo. • cariche opposte, per esempio un protone e un elettrone, si attirano, mentre particelle con la stessa carica si respingono. • La particella mediatrice dell'interazione elettromagnetica si • chiama fotone. • In base alla loro energia, i fotoni sono distinti come: raggi gamma, • luce (visibile), microonde, onde radio, etc.

46. Interazione Forte • Alcune particelle (i quark e i gluoni) hanno una carica di un nuovo tipo: è stata chiamata carica di colore. • Ogni quark puo’ avere uno dei tre colori: rosso, blu o verde • Tra particelle dotate di carica di colore l'interazione è molto forte, tanto da meritarsi il nome di interazione forte. • La sua particella mediatrice è stata chiamata gluone: perche’ “incolla” i quark fra di loro Perche’ la repulsione elettromagnetica fra i protoni del nucleo non fa esplodere l’atomo?

47. Il Modello a quark • 1964 Gell-Mann, Zweig • Ci sono 3 quarks e 3 antiquarks • Ogni quark puo’ portare uno di 3 colori • Gli anti-quark portano un anti-colore

48. Il “confinamento” dei quark • Le particelle con carica di colore (come I quark) non si possono trovare isolate ma solo in gruppi di colore “neutro” (adroni) • Questo spiega perche’ sono possibili solo combinazioni di due (“mesoni”) o tre (“barioni”) quark: sono le uniche neutre di colore. • La carica di colore si conserva sempre. • quando un quark emette o assorbe un gluone, il colore del quark deve cambiare, per conservare la carica di colore • Per esempio, consideriamo un quark rosso che diventa un quark blu ed emette un gluone rosso/anti-blu: il colore "netto" è sempre rosso. Il blu e l’anti-blu si annullano rimane il rosso

49. Mai quark liberi!!! • La forza di colore diminuisce a piccole distanze e cresce al crescere delle distanze • Cosa succede se si cerca di “spezzare” un adrone? • Se uno dei quark di un adrone viene allontanato dai suoi compagni, il campo di forza di colore "si allunga" per mantenere il legame. • In questa maniera cresce l'energia del campo di forza di colore, e cresce quanto più vengono allontanati i quark tra loro. Energia del campo di colore cresce… E=mc2 sufficiente per creare un’altra coppia quark-antiquark

50. electrons Protons                                                                Dove sono i quarks? • Questa descrizione e’ molto interessante, ma i quark per ora sono entita’ matematiche… • L’esperimento confermera’ la loro esistenza!!! • Proviamo a ripetere l’esperimento di Rutherford ad energie MOLTO piu’ alte… Si dimostra che il protone e’ costituito da altri oggetti piu’ fondamentali!