ORSA - Corso di Astronomia
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Giuseppe Lo Presti CERN – European Organization for Nuclear Research, Geneva
Dall’infinitamente grande all’infinitamente piccolo
La Fisica del CERN e le conseguenze per l’Astronomia
ORSA - Corso di Astronomia di Base Palermo, 22 Novembre 2011
Sommario
I PARTE: la Fisica del CERN Acceleratori e collisori di particelle Montagne di dati… II PARTE: Astronomia ed Astrofisica al CERN Il rivelatore AMS a bordo della ISS Gli esperimenti ALICE e LHCb
Giuseppe Lo Presti 2 ORSA - Corso Astronomia
Il CERN in cifre 1954: anno di fondazione 20 Stati membri, 6 Stati osservatori + UNESCO e UE 60 Paesi non membri collaborano con il CERN 2950 persone lavorano al CERN come membri interni,
altre 10 000 da istituti di tutto il mondo 850 MEUR di budget annuale (2010). Italia: 100 MEUR 5 Premi Nobel
3 ORSA - Corso Astronomia Giuseppe Lo Presti
Piccole e grandi scale
Gli strumenti del CERN Per fare ricerca in Fisica
delle particelle, occorrono: Acceleratori Rivelatori
25% del personale
5 ORSA - Corso Astronomia Giuseppe Lo Presti
ORSA - Corso Astronomia
Gli strumenti del CERN …E per costruirli, occorre una
grande varietà di tecnologie! Ingegneria civile, materiali
speciali, super frigoriferi, magneti, vuoto, informatica e telematica, pompieri, ...
75% del personale!
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Cosa sappiamo…
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…e cosa vogliamo sapere
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Da dove viene la massa? Peter Higgs Di che cosa è fatto l’Universo?
Il 96% del “contenuto” è ancora sconosciuto! Ogni particella di materia ha una
controparte di antimateria Dov’è finita l’antimateria?
ORSA - Corso Astronomia
La prima antiparticella, il positrone (antielettrone), venne teorizzata da Paul Dirac nel 1930 e scoperta due anni dopo!
Grandi strumenti per minuscole particelle…
L’unico modo a noi conosciuto per creare nuove particelle è: Prendere una particella carica e stabile e
fornirle energia (cinetica) accelerandola Farla scontrare con un bersaglio fisso o, meglio,
con un’altra particella che viaggia in direzione opposta
Una parte dell’energia disponibile nell’urto può convertirsi in massa (E=mc2), ovvero in nuove particelle
La collisione di particelle è anche un modo per ricreare in laboratorio condizioni di densità di energia vicine al Big-Bang
Per accelerare di più ocorrono acceleratori sempre più grandi e più potenti… Giuseppe Lo Presti 9 ORSA - Corso Astronomia
Il Large Hadron Collider Lago di Ginevra
SPS
CERN
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Il Large Hadron Collider Lago di Ginevra
SPS
CERN
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Il Large Hadron Collider ~
100
m
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Il tunnel di LHC
Prima di entrare nel rivelatore
Particolare dei magneti
Spire superconduttrici
Canale per le particelle
L’alimentazione elettrica…
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L’anello di 27 km è sensibile a cambiamenti di lunghezza dell’ordine di 1 mm
Maree Correnti
parassite
Temporali
LHC
Precisione!
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Tsunami lontani
I Rivelatori di LHC
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ATLAS CMS
LHCb
ATLAS
CMS
CMS: la calata del gigante…
Alcuni esempi di cosa vediamo oggi
Giuseppe Lo Presti 22 ORSA - Corso Astronomia
Una montagna di dati …Ma è quello che cerchiamo?
Per di più, facciamo 500M di collisioni al secondo per trovare al massimo qualche segnale del Bosone di Higgs la settimana!
Come cercare una persona tra una popolazione di 1000 mondi…
Giuseppe Lo Presti 23 ORSA - Corso Astronomia
E l’elevatissimo rumore di fondo obbliga a raccogliere dati per molto tempo, prima di avere misure statisticamente significative
Ecco come appare una tipica collisione…
ma noi vogliamo trovare questo segnale!
ORSA - Corso Astronomia Giuseppe Lo Presti 24
Il flusso di dati di LHC
200-400 Hz (collisioni/sec) da registrare per ciascun esperimento
Dimensione di un evento: ~ 1 MB per ATLAS o CMS
~ 10 MB per ALICE in collisioni Pb-Pb Flusso totale di dati da LHC a disco, inclusa
ricostruzione online: ~ 2,5 GB/sec
1014 eventi raccolti all’anno 20 PB (1015 B) di dati all’anno Una colonna di CD alta 25 Km!
100 anni di film in HD (e la filmografia mondiale non arriva ancora a 100 anni…)
Concorde (15 Km)
Pallone aerostatico (30 Km)
Colonna di CD prodotti da LHC in 1 anno! (~ 25 Km)
Monte Bianco (4.8 Km)
ORSA - Corso Astronomia
La “Griglia” per elaborare i dati Una interconnessione di centri di calcolo a livello
mondiale per condividere risorse di calcolo, di archiviazione e di rete Il CERN è il centro stella Non solo per la Fisica!
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Fine Prima Parte. Domande?
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Altre informazioni CERN TV: www.youtube.com/cern Bandi e stage: www.cern.ch/jobs
La sala di controllo del CERN il 30 Marzo 2010, primo giorno di fasci in collisione a 3,5 TeV in LHC
ORSA - Corso Astronomia
II PARTE: Astronomia al CERN
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Alpha Magnetic Spectrometer
AMS-02: Un rivelatore di particelle nello spazio Una collaborazione CERN - INFN - NASA Alla caccia di antimateria, materia oscura, e
quant’altro… Come? Con un supermagnete permanente circondato
da tanta elettronica Per inciso, lungo la vita del
progetto si è passati da un magnete permanente ad uno superconduttore, e poi nuovamente a un magnete permanente…
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ORSA - Corso Astronomia
Alpha Magnetic Spectrometer
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Guarda caso, l’elettronica è quasi identica a quella dei rivelatori di LHC…
Solo deve rispettare criteri più restrittivi dovendo operare sulla ISS
I dati sono trasmessi a terra al CERN a 10 Mbps
Imbarco a Ginevra, in partenza per il centro
ESTEC dell’ESA, presso Amsterdam
ORSA - Corso Astronomia
Alpha Magnetic Spectrometer
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A Large Ion Collider Experiment
ALICE: simulare il Big Bang in laboratorio Collisioni Pb-Pb invece che pp Immaginate due dischi schiacciati che collidono…
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A Large Ion Collider Experiment
ALICE: simulare il Big Bang in laboratorio Collisioni Pb-Pb invece che pp Immaginate due dischi schiacciati che collidono…
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A Large Ion Collider Experiment
Cosa si è osservato finora? Indizi della presenza di un quinto stato della
materia, il Plasma di Quark e Gluoni (QGP) Questa è la materia presente dentro le Pulsar
Addirittura anche interi nuclei di Anti-elio! Il Tevatron a Chicago aveva annunciato questa
scoperta e ALICE l’ha confermata poco dopo
E adesso? In questi giorni di nuovo collisioni Pb-Pb, e anche
p-Pb: come sparare un proiettile contro un atomo Giuseppe Lo Presti 33 ORSA - Corso Astronomia
LHC beauty-quark experiment
LHCb: alla caccia dell’asimmetria tra materia ed antimateria Osservando collisioni pp sotto un angolo molto
piccolo, quasi lungo il fascio stesso Rivelatore aperto, non ermetico Il “piccolo” della famiglia di LHC, ma con la migliore
risoluzione sulle particelle a basso angolo
Studio di particelle esotiche come i mesoni B, formati da un quark ed un antiquark Una su ~100 milioni decade in modo da violare la
simmetria Giuseppe Lo Presti 34 ORSA - Corso Astronomia
Cosa ci aspettiamo adesso?
In LHC, i grandi esperimenti hanno raccolto 5 fb-1,
ben più dei dati previsti per quest’anno Leggasi femtobarn inversi: www.tvspace.it/journal/?p=1808
L’analisi completa di tutti questi dati porterà
certamente a qualche scoperta Ad esempio, o troviamo il famigerato Bosone di Higgs,
o lo escludiamo del tutto – e i teorici possono rimboccarsi le maniche per proporre alternative
Restate in ascolto… Giuseppe Lo Presti 35 ORSA - Corso Astronomia
Per finire…
A che serve tutto questo?
…Non (solo) a pagare gli stipendi ai ricercatori…
Brevissima panoramica sulle ricadute pratiche: in Medicina in Ingegneria etc.
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Ricadute pratiche: Medicina
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Risonanza Magnetica Funzionale (fMRI) Tomografia ad Emissione di Positroni (PET)
Adronterapia
Ancora ricadute pratiche Ingegneria
Il Web, trattamento dei rifuti radioattivi, rivelatori per controlli doganali
Bioinformatica Studio del genoma o del proteoma umano
Nanotecnologie Progettazione di nuovi materiali su scala
molecolare Ambiente
Simulazioni e previsioni meteo, osservazioni della Terra, gestione disastri naturali, …
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Tim Berners-Lee
Grazie per l’attenzione! Domande?
“Magic is not happening at CERN, magic is being explained at CERN” (Tom Hanks)