L’atomo: L’atomo: da Democrito al CERNda Democrito al CERN

breve storia di come nasce la scienza.

Claudio Luci

Università di Roma “La Sapienza”

e INFN sezione di Roma

Monticelli. 31 marzo 2006

SommarioSommario Che cosa è la scienza Le radici del pensiero scientifico Galileo Galilei Di cosa sono fatte le cose Democrito ed i “chimici” La scoperta dell’elettrone: l’atomo si è rotto Come è fatto l’atomo

Gli acceleratori di particelle La nascita del CERN Il Modello Standard Il Nobel di Rubbia

Che cosa è la scienza?Che cosa è la scienza? Definizione di scienza (De Mauro, dizionario online www.demauroparavia.it):

“ Insieme di conoscenze rigorosamente controllate e sistematicamente ordinate che consente di giungere a verità obiettive intorno ad un determinato ordine di fenomeni o di concetti”

La scienza è la ricerca del perché delle cose. Questa ricerca è innata nell’uomo. Pensate ai mille perché dei bambini. Vedremo però quali “perché” cadono sotto il dominio della scienza e quali no.

Perché un sasso cade?Come funziona il sole?Perché il cielo è blu?

La scienza esiste perché l’uomo è in grado di pensare e non è soltanto puro istinto.

Rodin: il pensatore (1880)

Riflessioni sulla scienzaRiflessioni sulla scienza La curiosità dei bambini si attenua man mano che

crescono. Forse perché subentrano altre necessità? Cibo, vestiti, …

Lo scienziato è caratterizzato dal conservare anche da adulto la curiosità del bambino. La ricerca non è un lavoro, è un gioco.

La società dovrebbe avere verso la scienza la stessa cura della mamma verso il neonato, senza chiedersi: “a cosa serve”?

Le radici del pensiero scientificoLe radici del pensiero scientifico J. Burnett. Early Greek Phylosophy

“…una buona descrizione della scienza è dire che essa è la maniera di pensare dei greci. Ed è questa la ragione per la quale la scienza è esistita solo presso quei popoli che sono venuti sotto l’influenza della Grecia”

Tratto dal libro “Spaccare l’atomo”

“Ci troviamo nell’antica Grecia (circa 400 a.c.): un posto veramente fantastico per viverci, ma attenzione, sempre che tu non sia uno schiavo o una donna! I greci, quelli ricchi naturalmente, hanno così tanti schiavi al loro servizio, che la maggior parte di essi ha un sacco di tempo per oziare, chiacchierare, bere vino e … pensare.”

N.B. … ma non tutti quelli che oziano sono scienziati o filosofi !!!

Le radici del pensiero scientificoLe radici del pensiero scientifico

Talete di Mileto (circa 624 ac - 547 ac)

Predisse un eclisse; misurò l’altezza delle Piramidi (teorema di Talete); predisse un ottimo raccolto di olive e affittò in anticipo i frantoi facendo un grande affare (Consiglio sul somaro, il sale e le spugne).

"l'acqua è principio di tutto". L'originalità di questa sua tesi (sbagliata) consiste nel tentativo di spiegare i fenomeni osservabili in virtù di un principio naturale (osservabile) e senza ricorrere al soprannaturale e al divino

Molti abitanti di Mileto cominciarono a cercare sempre più spesso la causa di tutte le cose, nei principi materiali e nell'argomentazione razionale piuttosto che negli Dei, nella Magia o nel Mito. A questo tipo di esercizio intellettuale Talete diede il nome di filosofia

Nasce l’atteggiamento scientifico verso la natura, che continuerà in tutta la civiltà greca. Talete può essere considerato come il primo dei filosofi.

N.B. Non c’è ancora distinzione tra filosofia e scienza (Galileo).

I filosofi greci (solo alcuni)I filosofi greci (solo alcuni)624-547 a.c. Talete L’acqua è la sostanza base

580-500 a.c. Pitagora La terra è sferica. Con la matematica si comprende l’intero universo

500-428 a.c. Anassagora Il cambiamento della materia è dovuto al riordine di particelle indivisibili

484-424 a.c. Empedocle Terra, aria, fuoco e acqua

460-370 a.c. Democrito Introduce il concetto di atomi

470-469 a.c. Socrate So di non sapere

427-347 a.c. Platone Il mito della caverna: idee platoniche

384-322 a.c. Aristotele Riassume tutte le idee precedenti ed il suo pensiero domina per duemila anni

310-230 a.c. Aristarco Teoria eliocentrica, respinta perché non conforme con le idee di Aristotele

287-212 a.c. Archimede Principio di Archimede (idrostatica)

La scuola di AteneLa scuola di Atene (Raffaello 1509-1510; musei vaticani)(Raffaello 1509-1510; musei vaticani)

(N.B. Oltre ai precedenti, ci sono anche Eraclito, Diogene, Zoroastro, Euclide, Tolomeo)

Tolomeo e CopernicoTolomeo e CopernicoPer i Greci l’armonia del Cosmo deve comportare moti “armonici” dei corpi celesti, cerchi percorsi con velocità costante

Il modello geocentrico di Tolomeo (85-165 dC) è un perfezionamento di quello di Ipparco.Le sue tavole permetteranno di calcolare le posizioni dei pianeti per quattordici secoli ed oltre

Copernico (1473-1543 dc): modello eliocentrico

La Terra è sferica.

La Terra ed i pianeti seguono dei moti circolari uniformi intorno al sole.

La Terra ha un movimento di rotazione attorno a se stessa.

Galileo Galilei (1564-1642)Galileo Galilei (1564-1642) Galileo nasce a Pisa nel 1564. Studia medicina per volere del padre Durante gli studi si appassiona alla fisica e alla

matematica e abbandona gli studi di medicina. Nel 1588 ottiene una cattedra di matematica

a Pisa. In questo periodo studia la caduta dei corpi. Nel 1592 ottiene una cattedra di matematica a Padova.

Comincia a studiare il moto dei corpi celesti e perfeziona il telescopio, inventato in Olanda. Scopre le lune di Giove. Si avvicina alla teoria di Copernico.

1632 pubblica: “Dialogo sui due massimi sistemi del mondo” 1633: viene processato dalla Santa Inquisizione per eresia.

Viene imprigionato e minacciato di tortura e viene costretto ad abiurare pubblicamente alle sue teorie.

Muore, malato e ormai cieco, ad Arcetri (Firenze) nel 1642.

Galileo: il metodo sperimentaleGalileo: il metodo sperimentale Galileo è storicamente riconosciuto come il fondatore della moderna

scienza sperimentale. Ogni fatto, evento o fenomeno naturale va compreso e analizzato in rapporto alla tecnica dell’esperimento.

Il risultato dell’esperimento deve essere riproducibile da chiunque, dovunque ed in qualsiasi momento. Solo in questo modo si può affermare di aver capito il fenomeno.

Dal risultato di un esperimento si possono trarre delle leggi generali (Metodo Induttivo)

Oppure si può fare un modello teorico dal quale trarre delle conseguenze particolari (Metodo Deduttivo)

In ogni caso le ipotesi scientifiche vanno poste al vaglio dell’esperimento, che sarà il solo giudice della validità delle ipotesi.

Galileo: natura e matematicaGalileo: natura e matematica

“il Grande libro della Natura è scritto nel linguaggio della matematica, e non possiamo capirla se prima non ne capiamo i simboli“

Galileo Galilei

Quali sono i “perché” ai quali risponde Quali sono i “perché” ai quali risponde la Scienza?la Scienza?

Quando ci chiediamo:”perché accade una certa cosa”, vi sono due interpretazioni della domanda:– Quali precedenti circostanze hanno causato il fenomeno?

(Come funziona? Di che cosa è fatto? Cosa c’è dentro?)Esempio: perché i pianeti girano intorno al sole? La scienza risponde a questo tipo di domande

– A quale scopo il fenomeno accade? (Questa cosa a che serve?)Esempio: a cosa servono i pianeti? Perché esistono? Per rispondere a questa domanda occorre avere una causa finale. La scienza non sa e non può rispondere a questa domanda. È il campo della filosofia e/o della religione.

Quali sono i costituenti elementari

della materia? Quali sono le

forze che controllano il

loro comportamento

al livello fondamentale?

Di cosa sono fatte le cose: Di cosa sono fatte le cose: dal complesso al semplicedal complesso al semplice

Partendo dagli stessi componenti elementari:

Tutti gli edifici sono fatti di: mattoni, cemento, sabbia, acqua, ferro, legno

mattoni cemento sabbia e acqua ferro legno

Si può avere

Tufo

Dal complesso al sempliceDal complesso al semplice E di cosa sono fatti i mattoni, il cemento, la sabbia, l’acqua, il ferro, il legno?

Democrito ipotizzò che il mattone elementare comune a tutte le cose fosse l’atomo (indivisibile).

I filosofi greci (Empedocle) ipotizzarono che tutte le cose fossero formate da quattro elementi: acqua, terra, fuoco e aria.

Democrito di Abdera: 460 – 370 a.c.Democrito di Abdera: 460 – 370 a.c. Democrito fu allievo di Leucippo, importante filosofo di Mileto

Democrito ritiene che suddividendo la materia in pezzettini sempre più piccoli, prima o poi si deve arrivare ad una particella fondamentale, indistruttibile, che chiamò àtomos (indivisibile, in greco antico). Altrimenti, se il processo di divisione potesse andare avanti all’infinito, le cose si dissolverebbero nel nulla (Aristotele non era d’accordo con questa teoria).

Gli atomi di Democrito sono eterni ed immutabili, esistono in varie forme e sono animati da un continuo movimento nello spazio vuoto: quando si avvicinano si incastrano tra loro e formano i corpi, quando si allontano causano la disgregazione della materia.

Per Democrito tutto l’universo è fatto di due entità opposte: gli atomi e il vuoto

La teoria di Democrito fu ripresa da Epicuro 100 anni dopo, ma l’atomismo cadde in disgrazia perché in disaccordo con Aristotele e, più tardi, con la religione Cristiana.

I “chimici”: 1700-1800I “chimici”: 1700-1800• Boyle(1627-91); Gay-Lussac (1778-1850) : studio delle proprietà dei gas

•Proust (1754-1826): proporzioni costanti

• Lavoisier (1743-94): conservazione della massa

• Dalton(1766-1844): “pesa” gli atomi

• Avogadro(1776-1856): molecole

Dalton, eseguendo degli esperimenti su delle reazioni chimiche, ed utilizzando i risultati precedenti di altri ricercatori, formula la teoria seguente:

La materia è formata da particelle indivisibili e indistruttibili: gli atomi Atomi di elementi diversi sono diversi tra loro e hanno masse diverse I composti sono sostanze pure formate da due o più atomi diversi che si combinano secondo un rapporto definito

Avogadro: le reazioni chimiche avvengono tra molecole e non tra atomi. (La molecola è la più piccola aggregazione di atomi di una stessa sostanza).

Mendeleyev (1834-1907)Mendeleyev (1834-1907)

Tutte le sostanze possono essere descritte in termini di diverse composizioni di “soli” 105 atomi.

A intervalli regolari si presentano elementi con proprietà chimiche analoghe

E gli atomi?E gli atomi?A fine 800 si pensava che gli atomi fossero indivisibili. L’atomo più leggero è l’atomo di idrogeno.

Nel 1897, studiando i raggi catodici, J.J. Thomson scoprì che erano costituiti da una particella di carica negativa di massa circa 2000 volte inferiore alla massa dell’atomo di idrogeno: l’elettrone.

La materia è neutra. Da dove viene l’elettrone? L’elettrone deve essere contenuto all’interno dell’atomo. Ma allora nell’atomo devono esistere anche delle cariche positive in modo che l’atomo nel suo complesso sia neutro. L’atomo è stato diviso!

Tubo catodico

I raggi catodici sono elettroni che possono essere deviati da campi elettrici e magnetici

Modello di Thomson dell’atomo. Un panettone di carica positiva dove gli elettroni sono come “l’uva passa”.

Il modello è corretto?

Soltanto la verifica sperimentale può dirlo!

Problema: come facciamo a Problema: come facciamo a vedere gli atomi?vedere gli atomi?

Gli atomi sono troppo piccoli per essere visti con gli occhi. Si “bombardano” con delle particelle più piccole e si osserva come

“rimbalzano” quando colpiscono l’atomo.

Perché accelerare le particelle

Visione con una lampada e gli occhi.

Visione con un acceleratore ed un rivelatore di particelle.

Aumentando l’energia della particella migliora la risoluzione con la quale si “vede” l’oggetto

Attenzione: se si aumenta molto l’energia del proiettile avviene anche un’altra cosa: si creano nuove particelle (vedi dopo)

Esperimento di Rutherford (1911)Esperimento di Rutherford (1911)Rutherford, Geiger e Mardsen bombardarono con particelle α (nuclei di elio) una sottile lamina d’oro ed osservarono le particelle α deflesse

Sorgente di α

Lamina d’oro

microscopio

una volta su 20000 le α avevano un angolo di diffusione > di 90º

Con l’atomo di Thomson questo non doveva accadere!

L’atomo di RutherfordL’atomo di Rutherford

elettrone

nucleo

Il modello planetario dell’atomo spiega i risultati della diffusione delle particelle α

Problema: l’atomo di Rutherford è instabile. Non può esistere.

Soluzione: meccanica quantistica (1927).

Tutta la massa dell’atomo è concentrata nel nucleo con gli elettroni che ruotano intorno ad esso legati dalla forza elettromagnetica.

Dimensioni dell’atomo ~ 10-10

m

Dimensioni del nucleo ~ 10-14

mGli atomi si distinguono tra loro dal numero di elettroni che hanno

E il nucleo?E il nucleo?

• Il nucleo deve avere tanti protoni quanti sono gli elettroni

• Il nucleo contiene la massa di tutto l’atomo (mp=1836 • me)

• Rutherford scopre il protone (1919)

NON VA BENE! Il nucleo sarebbe troppo leggero. La massa dei protoni è circa la metà della massa dell’atomo Deve esserci qualcos’altro dentro il nucleo

IPOTESI: particella simile al protone ma senza carica: il neutrone.

1932: scoperta del neutrone (Chadwick).

Il nucleo è composto da protoni e neutroni.DOMANDA: che cosa tiene insieme i protoni dentro il nucleo? La forza elettrostatica respinge i protoni uno dall’altro.

RISPOSTA: forza forte.

Decadimento Decadimento β: β: il sogno di Cagliostroil sogno di Cagliostro• Un nucleo si trasforma in un altro emettendo un elettrone (radiazione β)β)

eNC :Ex 147

146

• Problema: non si conserva l’energia, la quantità di moto e il momento angolare. Soluzione: W.Pauli ipotizzò che un’altra particella neutra, senza massa, venisse

emessa insieme con l’elettrone (1930).

ν eNC :Ex 147

146

• E.Fermi: formulò teoria del decadimento ββ e chiamò la nuova particella neutrino.Il fenomeno elementare è il decadimento del neutrone.

ν epn

• La forza responsabile del decadimento è la forza debole.

Dove eravamo nel Dove eravamo nel ~~1935?1935?• Gli atomi sono formati da tre particelle elementari: elettrone, protone e neutrone.

• Ipotesi del neutrino (rivelato sperimentalmente nel 1954)

• Vi sono 4 forze fondamentali tramite le quali le particelle interagiscono:

- forza forte: agisce sui nucleoni (adroni). Range ~ 10-15

m

- forza e.m.: agisce sulle particelle cariche. Range infinito.

- forza gravitazionale: agisce su tutte le particelle. Range infinito.

- forza debole: agisce su tutte le particelle. Range ~ 10-15

m

• Scoperta del positrone (anti-elettrone) nel 1932, ipotizzato da Dirac nel 1928.

• Scoperta del mesotrone, particella prevista da Yukawa nella teoria della forza forte.

AVEVAMO CAPITO TUTTO (O QUASI!)

Forte Elettromagnetica

Gravitazionale Debole

E poi?E poi?• E poi successero tante brutte cose.

• Le leggi razziali in Italia (1938).

• Inizio della seconda guerra mondiale (1939).

Molti scienziati europei scapparono in America

• Fissione dell’atomo (1938).

3nBrLaU: Ex 9035

14557

23892

• Nel 1942 Fermi realizzò a Chicago la prima reazione a catena controllata (pila atomica)

• E infine nel 1945:

• Dopo la guerra, gran parte degli scienziati europei restarono in America.

• Si tornò alla ricerca fondamentale, abbandonando il nucleo.

Ma non è finita!!Ma non è finita!!

Protone e neutrone non sono particelle fondamentali, ma sono composte da altre particelle (quark).

La ricerca continua.

Come si creano nuove particelleCome si creano nuove particelle

Quando due particelle elementari (elettrone, protone, pione, etc…) urtano tra di loro ed hanno energia sufficiente, possono produrre nuove particelle che prima dell’urto non esistevano.

E = mc2

Esempio: p + n → p + p + π - (il neutrone si trasforma in un protone ed un pione negativo)

N.B. Nell’urto vanno rispettate alcune leggi di conservazione: energia, carica, momento angolare, numero barionico, numero leptonico, parità, etc…

I raggi cosmici I raggi cosmici

• Furono scoperti da V.Hesse nel 1912. Sono costituiti da 86% protoni, 12% α ed il restante 2% da altri nuclei.

• Scoperta del positrone (1932)

• Scoperta del mesotrone (1937) identificato poi da Conversi, Pancini e Piccioni nel 1947 essere in realtà il muone, una replica pesante dell’elettrone e

em210m s102.2τ -6

• Scoperta del π nel 1947, seguita dalla scoperta di particelle “strane”, qualcuna più pesante del protone.

Studiare i raggi cosmici era difficile: esperimenti in alta quota, flusso ed energia non controllati. Si volle riprodurre allora l’interazione primaria in laboratorio accelerando protoni (o elettroni) e facendoli collidere con dei bersagli fissi.

Chi lo ha ordinato?

Acceleratori: principio di funzionamentoAcceleratori: principio di funzionamento

Campo elettrico: accelera.

Campo magnetico: curva

Unita di misura energia: eV

Bq

vmR

Raggio di ciclotronePrimo ciclotrone costruito da E.Lawrence a Berkeley nel 1930

-Particelle α decadimenti radioattivi: 1÷5 MeV

- 1939: ciclotrone 1.5 m di diametro: 19 MeV.

-Massima energia di un ciclotrone: 25 MeV

- Prossimo passo: sincrotrone

E l’uomo creò i raggi cosmiciE l’uomo creò i raggi cosmici• 1952: BNL (Brookhaven National Laboratory, Long Island), COSMOTRONE

forti) iinterazion nelle stranezza della ione(conservaz ΛKpπ

Protoni da 3 GeV. 2000 Ton. di ferro. 20 m di diametro.

Conferma la produzione associata delle particelle strane.

•1954: LBL (Lawrence-Berkeley Laboratory, California), BEVATRONE

Protoni da 6 GeV. 10000 Ton. di ferro.

E. Segrè scopre l’antiprotone (premio Nobel nel 1959).

barionico) numero del ione(conservaz pppppp

• 1957: Dubna, SINCROFASATRONONE. 10 GeV, 36000 Ton. di ferro!

Per andare ad energie più alte occorreva un’idea per ridurre la quantità di ferro dei magneti. Livingston inventa il focheggiamento forte (1952).

(Sempre nel 1952 D.Glaser inventa la camera a bolle.)

E l’Europa?E l’Europa?Nel dopoguerra l’Europa era in rovina. I fisici erano stati dispersi. Le conoscenze scientifiche e le capacità tecniche erano passate negli USA.

•

Nel dicembre 1949, ad una conferenza culturale dell’ONU, Louis de Broglie, raccomandò un laboratorio di ricerca internazionale.

•

Nel 1950 L’UNESCO approva una risoluzione di I.Rabi e nel 1952, 11 paesi europei partecipano al CERN (Consiglio Europeo per la Ricerca Nucleare). P.Auger e E.Amaldi sono i padri spirituali del CERN.

•

Come sito del laboratorio fu scelto Meyrin, un paese vicino Ginevra

Il 29 settembre 1954 nasce l’Organizzazione Europea per la Ricerca Nucleare (CERN)

•

•

Gli stati membri del CERN oggiGli stati membri del CERN oggiTutti i risultati delle ricerche svolte al CERN sono pubblicate. Vi è il libero scambio di informazioni.

Si svolge soltanto ricerca di base, e non c’è nessuna ricerca militare o industriale

I paese membri contribuiscono in base al PIL

Il più grande laboratorio del mondoIl più grande laboratorio del mondo

Il CERN entra in giocoIl CERN entra in gioco• 1959: CERN, ProtoSincrotrone PS, 24 GeV, 3200 Ton., diametro 200 m

• 1960: BNL, AGS, 33 GeV, 4000 Ton., diametro 257 m

Inizia il “boom economico” anche per la fisica delle particelle. Dapprima nei raggi cosmici, e poi con i nuovi acceleratori, vengono scoperte molte nuove particelle, troppe. C’è molto lavoro anche per i fisici teorici.

E.Fermi ad un suo studente (L.Lederman): “ragazzo, se fossi in grado di ricordare il nome di tutte queste particelle, sarei diventato un botanico”.

La prima risonanza scoperta da Fermi nel 1953 a Chicago, la Δ, suggerisce che il protone potrebbe non essere una particella fondamentale

Altri fenomeni importanti: scoperta del neutrino mu nel 1962 all’AGS, violazione della parità nel 1958, violazione di CP nel 1964 all’AGS.

E vennero ...E vennero ... i quark i quark!!• Per mettere ordine nello zoo di particelle, Gell-Mann e Neeman, proposero uno schema di classificazione basato su delle simmetrie (SU(3)), che chiamarono : “la via dell’ottetto”.

• La via dell’ottetto prevedeva una nuova particella (1962), Ω-, scoperta nel 1964.

• Per spiegare la simmetria, Gell-Mann e Zweig, ipotizzarono che le particelle soggette all’interazione forte fossero composte da particelle elementari. Gell-Mann chiamò le nuove particelle: “quark”.

“Three quarks for Muster Mark” – James Joice’s Finnegans Wake

quark carica stranezza

up +2/3 e 0

down -1/3 e 0

strange -1/3 e -1

I quark sono oggetti molto bizzarri con carica frazionaria. C’era molta riluttanza nell’accettarli.

Barioni: 3 quark Mesoni: un quark ed un antiquark

n

p

La scoperta dei quarkLa scoperta dei quark• A SLAC, un laboratorio vicino San Francisco, entra in funzione nel 1967 il “mostro”, un acceleratore lineare di elettroni da 20 GeV lungo 2 miglia.

• Con un esperimento simile a quello diRutherford, ma usando come proiettili gli elettroni, si dimostrò sperimentalmente che dentro protoni e neutroni dovevano essere presenti delle particelle puntiformi.

(Risultato poi confermato al CERN con un fascio di neutrini)

Le particelle fondamentali sono (nel 1968):

Leptoni: e-, e, -, Q

uark: up, down, strange

Relative antiparticelle

Il Modello StandardIl Modello Standard• Nel 1967 Weinberg e Salam (e Glashow) formularono una teoria unificata delle interazioni elettromagnetiche e delle interazioni deboli. Si tratta di una teoria di campo quantistica che supera le difficoltà teoriche insite nella teoria del decadimento β di Fermi.

• La teoria prevede come mediatori delle interazioni deboli due bosoni massivi carichi, W e W , e un bosone massivo neutro, Z, mentre il fotone, bosone neutro e senza massa, è il mediatore delle interazioni e.m.

+ -

• Per spiegare la massa non nulla delle particelle, la teoria utilizza il meccanismo di Higgs (rottura spontanea della simmetria locale). Tale meccanismo necessita l’esistenza di un altro bosone neutro, il “famigerato” bosone di Higgs, H.

Comincia la caccia ai bosoni W, Z e H

1973: prima evidenza sperimentale del Modello Standard. Scoperta al CERN delle “correnti neutre” nelle interazioni neutrino-nucleone, spiegabili con lo scambio di uno Z.

I mediatori delle forzeI mediatori delle forze

La forza forte agisce solo sui quark ed è mediata dai gluoni.

La teoria che descrive l’interazione forte è la cromodinamica quantistica (QCD) [1973]

Gli anni magici: 1974Gli anni magici: 1974÷1977÷1977

• 1974: scoperta del charm. Ting a BNL e Richter a SLAC.Qualche settimana dopo fu scoperto anche a Frascati spingendo oltre i propri limiti Adone (collider elettrone-positrone di 3 GeV) (Nella vita ci vuole fortuna )

• 1970: Glashow, Iliopoulos e Maiani propongono l’esistenza di un quartoquark, il “charm “ (fascino), carica +2/3 e.

~3500 maggiore di quella dell’elettrone e vita media 0.3 ps.

• 1975: scoperta a SLAC di un terzo leptone carico, il τ, di massa

• 1977: scoperta a FNAL (Chicago) di un quinto quark, il “bottom” o “beauty” (bellezza), carica –1/3 e. Il bottom fu scoperto ad un nuovo acceleratore di protoni di 500 GeV, 2 km di diametro.

Per ragioni di simmetria, il Modello Standard prevede l’esistenza di un terzo neutrino, il neutrino τ, scoperto a FNAL nel 2000 e di un sesto quark, il “top” o “truth” (verità), scoperto a FNAL nel 1995, con una massa ~280mp

Lo stato attualeLo stato attuale

(Visto!)

Il Nobel di RubbiaIl Nobel di Rubbia• Nel 1976 entrò in funzione al CERN l’SPS, un acceleratore di protoni da

400 GeV, 2 km di diametro. L’energia non era però sufficiente per produrre W e Z, la cui massa stimata era di 80÷90 GeV.

• L’idea di Rubbia fu di trasformare l’SPS in un Collisore protone-antiprotone, seguendo quanto era stato fatto a Frascati con Adone, il collisore

e+e- dove particella e antiparticella girano nello stesso anello in senso contrario.

• Il problema era avere un numero sufficiente di antiprotoni idonei da far colliderecon i protoni (risolto da S.van der Meer con il raffreddamento stocastico).

• Nel 1978 parte il progetto SppS (270 + 270 GeV).-

• Nel 1983 furono prodotti i primi W e Z rivelati nei detector UA1 (Rubbia) e UA2.

1984: premio Nobel a Rubbia e van der Meer

Il LEPIl LEP• Nel 1981 il CERN decide di costruire il più grande acceleratore del mondo:

il LEP. Si tratta di un collisore elettrone-positrone di 27 km di circonferenza. Gli elettroni, al contrario dei protoni, sono delle particelle elementari, quindi l’interazione elettrone-positrone è molto più “pulita” di quella protone-antipro-tone. Lo stato iniziale è perfettamente noto e le previsioni teoriche del Modello Standard possone essere verificate con maggiore accuratezza.

• Nel 1983 inizia lo scavo del tunnel. La galleria ha un diametro di 3.8 m e sitrova a circa 100 m sotto il livello del suolo.

• Nel 1988 lo scavo del tunnel è terminato. All’epoca era la galleria più lungad’Europa, superata ora solo dal tunnel sotto la manica.

Tutta l’energia del centro di massa è disponibile per creare nuove particelle: E=mc2

LEP: vista aereaLEP: vista aerea

9 km

LEPSPS

Lake of Geneva

Jura

Francia Svizzera

CERN

aereoporto

L3

Aleph

Opal

Delphi

LEP: il tunnel.LEP: il tunnel.

quadrupolo

Tubo a vuoto

dipolo

Il rivelatore L3Il rivelatore L3

Sala controllo dell’esperimento L3Sala controllo dell’esperimento L3

LEP: i risultatiLEP: i risultati• Il 14 luglio 1989 circola il primo fascio di elettroni nel LEP. Il 15 agosto si ha

la prima collisione e+e-. L’energia del centro di massa è uguale a mZ (~91 GeV).

• Dal 1989 al 1995 vengono prodotti circa 17 milioni di Z nei 4 esperimenti.

Questo ha permesso di misurare la massa dello Z con una precisione dello 0.02‰ e di verificare l’accuratezza delle previsioni del MS al meglio del percento.

Tramite l’effetto delle correzioni radiative è stata prevista la massa del top di 181±10 GeV. Il valore misurato a FNAL è di 174±5 GeV.

• Dal 1995 al 2000 l’energia del LEP è aumentata fino a 208 GeV. È continuata laricerca del bosone di Higgs e di nuove particelle. Il MS è più solido che mai!

• L’Higgs, se esiste, ha una massa maggiore di 115 GeV.

La ricerca continua a LHC.

Il numero di famiglie di Il numero di famiglie di neutrinineutrini

Il Modello non prevede il numero di famiglie e prima dell’avvento del LEP, una quarta famiglia non era esclusa.

• Dalla larghezza della risonanza dello Z e dal metodo del fotone singolo:

Il Modello Standard organizza le particelle elementari in famiglie.

LEP:N=2.984±0.008γννee

L3:N=2.98±0.10

Le famiglie di neutrini leggeri sono 3!

LHCLHC• Nel dicembre 1994 il CERN approva ufficialmente la costruzione di LHC.

(Large Hadron Collider). Si tratta di un collisore protone-protone con magneti superconduttori di 8 T, da istallare nel tunnel del LEP.

• L’energia del centro di massa sarà di 14 TeV, 7 volte maggiore del Tevatron(il collisore protone-antiprotone attualmente in funzione a FNAL).I fasci si incroceranno con una frequenza di 40 MHz (ogni 25 ns).

• LHC è una sfida tecnologica a tutti i livelli, pari al progetto Manhattan o allo sbarco sulla Luna, ma con mezzi e organizzazione completamente diversi.

• Sul collisore vi sono due esperimenti principali, Atlas e CMS (più LHCbe Alice), anch’essi spinti al limite della tecnologia.

• LHC dovrebbe entrare in funzione nel 2007.

LHC darà sicuramente delle risposte importanti alle nostre domande

I dipoli di LHCI dipoli di LHC

Le bobine superconduttrici sono raffreddate a 1.9 K (la radiazione di fondo cosmica è a 2.7 K).

LHC sarà il punto più freddo dell’universo.

1233 dipoli principali 14.3 m di lunghezza ognuno 8.33 Tesla (max nel ferro 2 T) 11.7 kA (bobina superconduttrice)

ATLASATLAS

25 m

46 m

Per la costruzione di ATLAS partecipano circa 1800 fisici di 170 istituti

Precisione meccanica nella costruzione e allineamento delle camere a muoni: 20 μm!

ATLAS: fotomontaggioATLAS: fotomontaggio

ConclusioniConclusioni• I costituenti fondamentali della materia sono i leptoni e i quark!

• Le interazioni fondamentali sono 4: forte, e.m., debole e gravitazionale.L’interazione e.m e l’interazione debole sono “descritte” dalla medesima teoria, il Modello Standard (le interazioni forti sono descritte dalla QCD).

• Molte domande ancora senza risposte, ad esempio: - l’origine delle masse,- l’uguaglianza della carica elettrica del protone e dell’elettrone,- perché esistono tre famiglie di particelle- perché vi è una netta separazione tra “fermioni” e “bosoni”- dove è finita l’antimateria

• Il Modello Standard è probabile che non sia la “teoria finale”. Una estensionedel MS è la supersimmetria (SUSY). Questa prevede molte nuove particelle che non sono state ancora trovate.

LHC sarà in grado di rispondere a molte di queste domande, in particolare trovare il bosone di Higgs e, se esistono, le particelle supersimmetriche!