Sempre piu veloci_larana
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SEMPRE PIÙ VELOCI
La straordinaria avventura degli acceleratori di particelle
Adele La Rana
Fondazione Tera, Cern, Università “Sapienza” di Roma
21-21 Marzo 2013, Bari
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Il giorno H
CERN, Ginevra 4 Luglio 2012
LHC: Large Hadron Collider
![Page 4: Sempre piu veloci_larana](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042715/559496f31a28ab091f8b4591/html5/thumbnails/4.jpg)
The H-day: il giorno H
CERN, Main building
4 Luglio 2012
Ore 5:00 del mattino
![Page 5: Sempre piu veloci_larana](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042715/559496f31a28ab091f8b4591/html5/thumbnails/5.jpg)
The H-day: l’attesa
CERN, Ginevra
4 Luglio 2012
Ore 5:00 A.M.
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The H-day: la fila
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Una scoperta a lungo attesa
Previsto fin dal 1964…
…il bosone di Higgs da particella teorica diventa finalmente una
particella reale
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Cos’è LHC?
protoni
protoni100 m
Ginevra
CMS
ATLAS
AliceLhc-b
27 km
CERN
![Page 9: Sempre piu veloci_larana](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042715/559496f31a28ab091f8b4591/html5/thumbnails/9.jpg)
Cos’è LHC?
protoni
protoni
Ginevra
CMS
ATLAS
AliceLhc-b
CERN
protoni protoni
![Page 10: Sempre piu veloci_larana](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042715/559496f31a28ab091f8b4591/html5/thumbnails/10.jpg)
Cos’è LHC?
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Cos’è LHC?
All’interno delle ‘beam pipe’: il posto più vuoto e freddo dell’universo
protoni
99.999 % velocità della luce
(11 000 giri al secondo)
![Page 12: Sempre piu veloci_larana](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042715/559496f31a28ab091f8b4591/html5/thumbnails/12.jpg)
Accelera e sterza
Cavità a radiofrequenza8 cavità
acceleranti
Campo elettrico E400 MHz
400 milioni di oscillazioni per secondo
LHC
![Page 13: Sempre piu veloci_larana](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042715/559496f31a28ab091f8b4591/html5/thumbnails/13.jpg)
Accelera e sterza
Magneti Deflettori
Campo magnetico B
1232 magneti deflettori da 15
m (18 km)
LHC
protone
+ +
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Perché i fisici accelerano le particelle?
![Page 15: Sempre piu veloci_larana](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042715/559496f31a28ab091f8b4591/html5/thumbnails/15.jpg)
Perché i fisici accelerano le particelle?
particelle di alta energia
2mcE =
eV = unità di energia e di massa
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Accelerare le particelle vuol dire aumentare la loro energia…
Ma l’energia che si spende per accelerarle non va a
incrementare soltanto la loro velocità!
Anche la loro massa aumenta! È sempre più difficile accelerarle, man mano che la loro velocità si avvicina al
limite c.
2mcE =
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Perché i fisici accelerano le particelle?
Energie maggiori permettono di esplorare dimensioni più piccole e guardare più a fondo nel mondo subatomico
È come avere un microscopio più potente
Microscopio elettronico
La luce – usata in un microscopio ottico – ha “dita troppo grandi” per toccare dettagli molto piccoli: servono dita più
sottili!
Gli elettroni!
fotone elettrone
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La doppia natura di materia e radiazione
onda e corpuscolofotone
elettrone
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Topo-corpuscoli e uccelli-onda
Una storia di alieni… in visita sulla terra
Come prima cosa, s’imbattono in una grotta e in alcune strane creature sconosciute…
Mammiferi come un topo Volano come uccelli
A volte mammiferi e a volte uccelli…
Mammifero volante
![Page 20: Sempre piu veloci_larana](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042715/559496f31a28ab091f8b4591/html5/thumbnails/20.jpg)
λ Fotone > λ Elettrone
Topo-corpuscoli e uccelli-onda
Ma cosa c’entra l’energia?
Onda
λ elettrone
hvE =
Fotone della luce
ë
1v =
E
h=λPiù è grande E, più
piccola è λ e più piccole sono le dita!
![Page 21: Sempre piu veloci_larana](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042715/559496f31a28ab091f8b4591/html5/thumbnails/21.jpg)
Perché i fisici accelerano le particelle?
• 10 milioni di miliardi di miliardi di chilometri
Hubble Space Telescope
Guardiamo lontano nello spazio e indietro nel tempo
![Page 22: Sempre piu veloci_larana](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042715/559496f31a28ab091f8b4591/html5/thumbnails/22.jpg)
Perché i fisici accelerano le particelle?
Fotografia dell’universo alla tenera età di 380 000
Oggi ha 13,7 miliardi di anni
Il nostro album fotografico non potrà mai risalire più indietro di così!
Radiazione cosmica di fondo: radiazione fossile
![Page 23: Sempre piu veloci_larana](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042715/559496f31a28ab091f8b4591/html5/thumbnails/23.jpg)
Perché i fisici accelerano le particelle?
Big Bang
Ora: 13.7 miliardi di
anni dal BG
Espansione
Radiazione cosmica di fondo: 380 000 anni dopo il BG
![Page 24: Sempre piu veloci_larana](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042715/559496f31a28ab091f8b4591/html5/thumbnails/24.jpg)
Perché i fisici accelerano le particelle?
Alte temperature = Alte Energie
13.7 miliardi anni
380 000 anni
3 K
3000 K
tempo
temperatura
Atomi neutri
Stelle e galassie
Vita
1010 K
1 s
![Page 25: Sempre piu veloci_larana](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042715/559496f31a28ab091f8b4591/html5/thumbnails/25.jpg)
eV = unità di energia, di massa e di temperatura
![Page 26: Sempre piu veloci_larana](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042715/559496f31a28ab091f8b4591/html5/thumbnails/26.jpg)
Macchine del tempo
Alte temperature = Alte EnergieLHC riporta indietro fino a 1 milionesimo di
milionesimo di secondo dal Big Bang
Un aumento di ordine 100 nell’energia delle particelle accelerate corrisponde a risalire il tempo di un fattore 10 000!
I fisici delle particelle si resero conto con grande stupore che stavano risalendo il corso del
tempo!
![Page 27: Sempre piu veloci_larana](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042715/559496f31a28ab091f8b4591/html5/thumbnails/27.jpg)
Alte energie… ma alte quanto?
Alte densità di energia!
Ogni protone in LHC ha un’energia pari a 3500 - 4000 GeV
L’energia di un moscerino in volo
Ma un moscerino è fatto da centinaia di miliardi di miliardi di protoni e neutroni
Ohi ohi!
Ahia!
![Page 28: Sempre piu veloci_larana](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042715/559496f31a28ab091f8b4591/html5/thumbnails/28.jpg)
Collisione: più facile a dirsi che a farsi
Quando lanciamo l’una contro l’altra due manciate di sassolini, non tutti collideranno!
E’ necessario che i fasci siano ben focalizzati, con i protoni quanto più vicini tra loro possibile, repulsione elettrica permettendo!
![Page 29: Sempre piu veloci_larana](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042715/559496f31a28ab091f8b4591/html5/thumbnails/29.jpg)
Collisione: una volata di particelle
• I gruppi di protoni tendono inoltre a “spampanarsi”, man mano che girano nell’acceleratore!
L’idea è che invece il gruppo proceda compatto come in
una volata di ciclisti
~ 100 000 milioni di protoni per
gruppo
![Page 30: Sempre piu veloci_larana](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042715/559496f31a28ab091f8b4591/html5/thumbnails/30.jpg)
Collisione: una volata di particelle
Quadrupolo magneticoLHC
dipolo deflettore
392 quadrupoli da 5-7 m
![Page 31: Sempre piu veloci_larana](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042715/559496f31a28ab091f8b4591/html5/thumbnails/31.jpg)
Quadrupoli in posizione
Posizionamento di un quadrupolo nel tunnel,
dopo la fase di test
Quanti???
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Non solo accelerare… anche rivelare
Atlas
Si trova100 m sotto terra!Il più grande rivelatore di particelle
mai costruito: lungo 46 m, alto 25 m, pesa 7000 tonnellate
Durante il montaggio…
![Page 33: Sempre piu veloci_larana](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042715/559496f31a28ab091f8b4591/html5/thumbnails/33.jpg)
Non solo accelerare… anche rivelare
CMS
Si trova100 m sotto terra!
Un po’ più piccolo di Atlas: lungo 22 m, alto 14,pesa 12
500 tonnellate
Sia Atlas che CMS sono fatti di strati concentrici,
ciascuno ottimizzato per tracciare tipi diversi
di particella
![Page 34: Sempre piu veloci_larana](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042715/559496f31a28ab091f8b4591/html5/thumbnails/34.jpg)
Non solo accelerare… anche rivelare
CMS
Le particelle di alta energia prodotte nelle collisioni hanno vita brevissima (10-20 s per es.) e decadono in altre particelle, che a loro
volta possono decadere
CMS
![Page 35: Sempre piu veloci_larana](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042715/559496f31a28ab091f8b4591/html5/thumbnails/35.jpg)
The H-day: il giorno HCERN, Main building - 4 Luglio 2012, Ore 5:00 del mattino
![Page 36: Sempre piu veloci_larana](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042715/559496f31a28ab091f8b4591/html5/thumbnails/36.jpg)
Cos’è il bosone di Higgs?
![Page 37: Sempre piu veloci_larana](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042715/559496f31a28ab091f8b4591/html5/thumbnails/37.jpg)
Bosoni e fermioni
FermioniBosoni
fotoni della luce
elettroniRaggio laser
Ma anche protoni, neutroni, quark…
Tutta la materia
![Page 38: Sempre piu veloci_larana](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042715/559496f31a28ab091f8b4591/html5/thumbnails/38.jpg)
Bosoni
Forza debole
Le quattro forze fondamentali
Forza gravitazionale Forza elettromagnetica
Forza forteprotone neutrone
![Page 39: Sempre piu veloci_larana](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042715/559496f31a28ab091f8b4591/html5/thumbnails/39.jpg)
Le forze come scambio di bosoni
I fotoni sono mediatori della forza elettromagnetica
![Page 40: Sempre piu veloci_larana](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042715/559496f31a28ab091f8b4591/html5/thumbnails/40.jpg)
Le forze come scambio di bosoni
Forza debole
Forza gravitazionale Forza elettromagnetica
Forza forte
fotone γgravitone
Ancor
a mai
rivela
to da
gli
espe
rimen
ti
8 gluoni 3 astenoni
87654321 g ,g,g ,g ,g ,g ,g ,g −+ W, W,Z0
![Page 41: Sempre piu veloci_larana](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042715/559496f31a28ab091f8b4591/html5/thumbnails/41.jpg)
Modello Standard delle forze e delle particelle
Particelle - forza Bosoni
Particelle - materia Fermioni
![Page 42: Sempre piu veloci_larana](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042715/559496f31a28ab091f8b4591/html5/thumbnails/42.jpg)
Ma cosa c’entra Higgs?
Particelle - forza Bosoni
Particelle - materia Fermioni
Unificazione delle forze
![Page 43: Sempre piu veloci_larana](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042715/559496f31a28ab091f8b4591/html5/thumbnails/43.jpg)
Il meccanismo di Higgs
Tutto lo spazio è pervaso da un campo: il campo di Higgs.
A seconda di come interagiscono con il campo, le particelle acquistano masse diverse.
Campo di Higgs
Campo di Higgs
Tutte le particelle si muovono nel
campo di Higgs.
![Page 44: Sempre piu veloci_larana](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042715/559496f31a28ab091f8b4591/html5/thumbnails/44.jpg)
Il meccanismo di Higgs in metafora
Metafora di David Miller 1993
![Page 45: Sempre piu veloci_larana](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042715/559496f31a28ab091f8b4591/html5/thumbnails/45.jpg)
Il meccanismo di Higgs
In analogia al campo elettromagnetico che ha i fotoni e al campo gravitazionale che ha i gravitoni, il campo di Higgs ha le sue particelle corrispondenti: i bosoni di Higgs.
L’unico modo per smascherare il campo di Higgs e mostrare che esiste è rivelare i suoi bosoni.
![Page 46: Sempre piu veloci_larana](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042715/559496f31a28ab091f8b4591/html5/thumbnails/46.jpg)
Il meccanismo di Higgs
In analogia al campo elettromagnetico che ha i fotoni, il campo di Higgs ha le sue particelle corrispondenti: i bosoni di Higgs.
Le collisioni in LHC raggiungono l’energia necessaria per produrre i bosoni di Higgs, previsti dalla teoria
![Page 47: Sempre piu veloci_larana](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042715/559496f31a28ab091f8b4591/html5/thumbnails/47.jpg)
Un abbraccio tra teoria ed esperimento
4 Luglio 2012:Annuncio della scoperta del
bosone di Higgs
Fabiola Gianotti e Peter Higgs
Il nuovo bosone ha una massa pari a circa
125 GeV
![Page 48: Sempre piu veloci_larana](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042715/559496f31a28ab091f8b4591/html5/thumbnails/48.jpg)
Higgsteria
![Page 49: Sempre piu veloci_larana](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042715/559496f31a28ab091f8b4591/html5/thumbnails/49.jpg)
Higgsteria
CMS Guitar
![Page 50: Sempre piu veloci_larana](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042715/559496f31a28ab091f8b4591/html5/thumbnails/50.jpg)
Il Concerto
![Page 51: Sempre piu veloci_larana](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042715/559496f31a28ab091f8b4591/html5/thumbnails/51.jpg)
Hardronic 2012
![Page 52: Sempre piu veloci_larana](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042715/559496f31a28ab091f8b4591/html5/thumbnails/52.jpg)
L’ultimo concerto delle Cernettes
Hey mister Higgs, do you wanna do the twist? Do you wanna rock
it rock it with the Cernettes?
![Page 53: Sempre piu veloci_larana](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042715/559496f31a28ab091f8b4591/html5/thumbnails/53.jpg)
Les Horribles Cernettes
La prima fotografia della storia a essere comparsa sul World Wide Web
L’inventore del Web, Tim Berners Lee
![Page 54: Sempre piu veloci_larana](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042715/559496f31a28ab091f8b4591/html5/thumbnails/54.jpg)
Perché tanti italiani al CERN?
Numero italiano e numero ricercatori al CERN
![Page 55: Sempre piu veloci_larana](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042715/559496f31a28ab091f8b4591/html5/thumbnails/55.jpg)
Siamo bravi in fisica, ma non solo…
Edoardo Amaldi, uno degli ideatori e
fondatori del Cern
I leggendari ragazzi di via Panisperna, guidati da Enrico Fermi
![Page 56: Sempre piu veloci_larana](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042715/559496f31a28ab091f8b4591/html5/thumbnails/56.jpg)
“La fisica è bella e utile”
Ugo Amaldi
…per la fisica utile, vedi capitolo 6!
![Page 57: Sempre piu veloci_larana](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042715/559496f31a28ab091f8b4591/html5/thumbnails/57.jpg)
“La fisica è bella e utile”
CNAO (Centro Nazionale Adroterapia Oncologica), Pavia
![Page 58: Sempre piu veloci_larana](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042715/559496f31a28ab091f8b4591/html5/thumbnails/58.jpg)
Una passione giovane
![Page 59: Sempre piu veloci_larana](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042715/559496f31a28ab091f8b4591/html5/thumbnails/59.jpg)
Grazie a tutti per l’attenzione!