slide del seminario con appunti (pdf 3.4mb) - Associazione l'Infinito

Il mistero della materia:
il bosone di Higgs
storia s o a ddi uuna a scope scoperta a raccontata acco a a da
un protagonista
DDott. FFrancesco Lo L SSterzo

Foto del Seminario del 04/07/2012, al Cern, in occasione dell’annuncio della scoperta
del Bosone di Higgs. È una scoperta importante sia per il contenuto scientifico sia
perché , al CERN, è stato un avvenimento.
Prof.ssa Fabiola Gianotti
(1962), italiana, ha studiato a
Milano, responsabile
dell’esperimento ATLAS al
CERN CERN, in cui lavorano circa 3000
persone
Il Prof. Rolf Heuer
(1948), tedesco direttore
generale del CERN.
Prof. Joe Incandela,
americano, responsabile
dell’esperimento CMS
IL BOSONE OSO DI
HIGGS
Francesco Francesco Lo Lo Sterzo
Sterzo
La cosa bella della foto sono i 3 signori
ddavanti. ti Gi Gianotti, tti Heuer H e IIncandela d l
che anche se sono i responsabili di oltre
15 15.000 000 persone quel giorno erano
“stupiti” come dei bambini

La fisica delle particelle cerca di rispondere alla
domanda: “Di Di cosa sono fatte le cose? cose?”
Abbiamo innanzitutto l’uomo, e poi andando su scale più grandi, la terra, il sistema solare, le galassie e
l’ l’universo i iintero. t
Andando su scale più piccole piccole, noi siamo fatti di cellule cellule,
le cellule sono costituite da strutture più piccole, il DNA fino ad arrivare
agli atomi
3

Ma di cosa è fatto l’atomo? latomo? C’è un nucleo al centro con gli elettroni che girano intorno. L’elettrone è la prima particella elementare che
incontriamo incontriamo. Elementare vuol dire che non ha struttura, struttura cioè non è composta da altri mattoni più piccoli piccoli. Il
nucleo invece è composto da neutroni e protoni che a loro volta sono fatti di particelle più piccole che si
chiamano quark. Quindi i mattoni fondamentali sono I quarks eglielettroni.
e gli elettroni.
Particelle Elementari.
Non divisibili!
4

Cosa tiene insieme l’atomo? latomo? In meccanica quantistica la forza tra due particelle è descritta come lo scambio di una
terza particella p ( (che si chiama bosone) )
Per fare un esempio, immaginiamo le due ragazze che si tirano la palla l’una con l’altra e si
intuisce che man mano le loro barche si allontanano tra di loro loro. Si scambiano una forza
scambiandosi una particella. Questo è il concetto base. Questa particella nella fisica
moderna si chiama bosone bosone.
L’i L’interazione t i avviene i grazie i allo ll scambio bi di particelle ti ll
5

Le particelle
Le particelle p elementari sono:
•I quarks (Up e Down che
costituiscono i protoni e i neutroni)
• l’elettrone
•2 bosoni:
• il gluone che tiene uniti i quark
tra di loro e i neutroni e i protoni
all’interno ll’i t ddel l nucleo l
• il fotone (indicato ( con la
lettera greca gamma ) che
tiene legato l’elettrone l elettrone intorno al
nucleo perché scambiano fotoni
in continuazione.
•Bosoni: trasportano le forze
•Fermioni: Fermioni: costituiscono la materia
•Le particelle più pesanti sono
iinstabili t bili e ddecadono d nelle ll particelle ti ll
più p leggere gg
6

Il Modello
St Standard d d
Nello schema sono riportati tutti i mattoni fondamentali della materia. Oltre a
quelli q ggià descritti ce ne sono altri. Tre coppie pp di Quarks, , UP-DOWN, , CHARM-
STRANGE e TOP-BOTTOM. Ogni coppia è analoga a quella che ha accanto,
ma ha la caratteristica di essere più pesante
TTutte tt le l particelle ti ll pesanti ti ddecadono d iin quelle ll più iù lleggere e rimangono i solo l : UUp, DDown, El Elettrone, tt llegati ti dda Gl Gluoni i e
Fotoni.
CCome sii comportano t lle particelle? ti ll ? C’è una tteoria i che h
descrive il comportamento di queste particelle, sia come
“reagiscono” tra di loro, cioè cosa avviene durante uno
scontro tra due particelle, sia come decadono una
nell’altra (tutte le caratteristiche del decadimento).
Questa teoria si chiama Modello Standard, ed è una
teoria molto potente. Tutta la teoria del modello standard
è sostanzialmente una struttura matematica (riportate
sulla tazza in foto, souvenir del Cern).
Se voglio studiare un fenomeno, per esempio il Tau che
decade nell’elettrone, isolo dalla formula (che descrive il
comportamento di tutte le particelle) soltanto la parte del
Tau che decade in elettrone, faccio i vari calcoli
ottenendo dei valori, successivamente vado ad effettuare
misure sperimentali e verifico se le misure sperimentali
corrispondono a quelli previsti dal modello teorico
(formula).
In particolare il Tau per decadere in Elettrone impiega in
media
ττ = 290 × 10-15 s.
La teoria del modello standard funziona molto bene
perchè descrive bene quello che vediamo e descrive
come si comporta.
Carlo Rubbia negli ‘80 80 vinse il premio Nobel per
aver scoperto lo Z e il W
7

Che cosa manca?
• Il Modello Standard ha un problema: non spiega perchè le particelle hanno massa (e hanno masse diverse tra
loro). Nella formula del Modello Standard, facendo i calcoli, non viene mai fuori un termine che descriva le masse
delle particelle, mentre le osservazioni sperimentali ci dicono che le particelle hanno una massa. Quindi è una teoria
che non descrive fino in fondo la realtà che vediamo.
• La dobbiamo buttare nel cestino? Si voleva buttare fino a quando Peter Higgs (GB 1929), nel 1964, quando aveva
circa 35 anni, propone la sua teoria.
Peter Higgs Higgs, chi è costui?
Higgs propone una teoria per risolvere il problema della massa (e salvare il Modello Standard) Standard).
Propone una teoria per cui esiste un campo che pervade tutto lo spazio. Le particelle che conosciamo, interagendo con
questo q campo, p , acquistano q massa
Possiamo esemplificare il campo come una stanza (lo spazio) piena di persone (il campo) in cui entra una persona
famosa (una particella). Attorno a questa persona si formerà una calca di persone per cui la persona famosa si
muoverà con difficolta all’interno della stanza, come se avesse acquisito massa.
Nell’esempio il campo di Higgs sono le persone mentre il bosone di Higgs è un raggruppamento di persone che si
può creare senza che nessuno entri nella stanza (figura di destra) destra).
8

Il bosone di Higgs
Il bosone b di Higgs Hi è una particella ti ll iinstabile, t bil perchè hè abbastanza bb t pesante, t che h può ò
decadere in diversi modi:
Può decadere in 2 bosoni Z ognuno dei
quali può decadere in 2 elettroni elettroni, dando 4
elettroni nello “stato finale”
Può decadere in 2 fotoni
H→ZZ→eeee H→
Ma perchè salva il Modello Standard?
Il Modello Standard senza bosone di Higgs prevedeva soltanto particelle senza massa. Una delle basi del metodo
scientifico teorizzato da Galileo, è che una teoria scientifica abbia il potere predittivo. Se idealmente si potesse prendere un
protone e metterlo su una bilancia opportuna, secondo il Modello Standard l’ago della bilancia non dovrebbe spostarsi,
mentre in realtà si sposterebbe, visto che sappiamo che il protone ha una massa. Quindi senza il meccanismo proposto da
Higgs, il Modello Standard non sarebbe adeguato per descrivere il mondo delle particelle elementari.
9

Come si studiano queste cose?
• Le particelle pesanti (instabili) non sono presenti
in natura. Per produrle da soli abbiamo bisogno di
un acceleratore di particelle
• Le particelle p instabili prodotte p decadono in nuove
particelle p stabili (elettroni ( e fotoni nel nostro
esempio): ) come si misurano?
• Dopo aver misurato queste nuove particelle
stabili, come si fa a capire quale particella
instabile le ha prodotte? Da chi vengono? Dal
bosone di Higgs gg oppure pp da altri pprocessi?
10

Acceleratore di particelle: il Large Hadron Collider
(LHC)
Nell’accelleratore, lungo 27 Km, vengono
lanciati protoni nelle 2 direzioni e fatti
scontrare in 4 punti indicati in foto che
Foto interna a circa 100 m sottoterra.
corrispondono ai 4 esperimenti principali. La legge di Einstein E=mc2 dice che l’energia e la massa sono
equivalenti equivalenti. Se si fanno scontrare 2 particelle con una certa energia energia, è
possibile creare particelle che normalmente non esisterebbero perché
troppo pesanti pesanti.
Ad esempio p Rubbia negli g anni ‘80 ha vinto il premio p Nobel perchè p ha
scoperto il bosone Z facendo scontrare protoni con un anti-protoni
ad una energia tale da produrre il bosone Z, che è stato effettivamente
generato nello scontro per poi decadere. Dai prodotti di cecadimento è
riuscito a risalire al bosone Z e ha preso il Nobel. Facile no!?
11

Come funziona un acceleratore di
particelle ?
• Come vengono accelerate le particelle
cariche (come i protoni)?
Si sfruttano campi elettrici, generati dalle cavità a
rariofrequenza (figura a destra in alto)
• Come si fa a curvarle?
Vengono usati dei potenti magneti che
costituiscono quasi tutto il corpo di LHC
12

Rivelatore: ATLAS
Nei 4 punti di scontro dei protoni ci sono 4 rivelatori, paragonabili a delle gigantesche
macchine fotografiche il cui scopo è fotografare quello che succede nelle collisioni.
Nella immagine sotto è riportato il rilevatore ATLAS ATLAS.
I protoni entrano dai due lati e si scontrano al centro. Ogni strato serve per misurare
caratteristiche tt i ti h di diverse ddelle ll particelle ti ll ( (o particelle ti ll di diverse). )
25 m
• 3000 km di cavi
• 7000 tonnellate
( (come lla ttorre Eiff Eiffel) l)
• ~100 mln di canali
• 38 paesi
• 174 università/istituzioni
Persone in scala
info: http://www.atlas.ch/
13

ATLAS
Dietro al rivelatore ATLAS c’è il lavoro di un’intera collaborazione, di persone. La
foto è stata fatta al “compleanno”, compleanno , ovvero durante il 20°anniversario 20 anniversario del primo
documento firmato “ATLAS Collaboration” 14

Il rilevatore come le fa le foto?
E quindi q come si vedono le pparticelle?
Nell’immagine Nell immagine è
riportata solo una “fetta”
di ATLAS ATLAS. I protoni si
scontrano nel punto in
bbasso, e con i di diversi i
strati si rilevano le
particelle generate.
In foto c’è un muone, un
protone protone, un fotone fotone, un
elettrone e un neutrone.
Il neutrino esce dal
rivelatore senza essere
visto a causa della sua
bassissima probabilità di
interazione
15

DDove si i ttrova ttutto tt questo t ?
CERN C.E.R.N. - Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire
Centro Europeo per la Ricerca Nuclaere, situato vicino Ginevra, in Svizzera
• Fondato nel 1954
• 20 stati membri
• 7 stati/organizzazioni osservatrici
• Costo annuale: ~800 mln euro
• 10000 scienziati
• 133 nazionalità coinvolte
• 608 istituti/università
Austria, Belgio, Bulgaria, Repubblica Ceca, Danimarca, Finlandia, Francia, Germania, Grecia, Ungheria, Italia,
Olanda Olanda, Norvegia, Norvegia Polonia, Polonia Portogallo, Portogallo Repubblica Slovacca Slovacca, Spagna Spagna, Svezia Svezia, Svizzera Svizzera, Regno Unito (+ Romania Romania,
Israele e Serbia)
info: http://www.cern.ch/
16

Acceleratore: Large Hadron Collider (LHC)
Questo è il logo che Google ha
dedicato alla partenza di LHC nel
settembre 2008
• In ogni rivelatore I protoni si incrociano 40 mln di
volte lt al l secondo d
• Lunghezza = 27 km (solo LHC)
• I protoni sono organizzati in “pacchetti”. LHC può
accelerare fino a 2808 pacchetti
contemporaneamente
• >1011 protoni per “pacchetto”
LHC è costruito con tecnologia superconduttiva: i
materiali utilizzati non presentano resistenza elettrica
se fatti lavorare in certe condizioni. Questo permette
il trasporto p di 13000 Ampére p (p (più di 1000 volte la
corrente che circola in una casa) con cavi di piccole
dimensioni (1cm x 1mm, in figura).
Le “certe condizioni”
sono una temperatura p
molto bassa: 1.9 gradi
Kelvin, che
corrispondono a -271,1
gradi centigradi.
Considerando che la
temperatura media
ddell’Universo ll’U i è 3K 3K, si i
CNGS è l’esperimento in cui viene prodotto
può dire che I 27 km di
un fascio di neutrini direzionato verso i
LHC sono I 27 km più
laboratori del Gran Sasso
freddi dell’Universo
17

Cosa fa il CERN? C.E.R.N.?
LA MISSIONE DEL CERN:
•Ricerca: cercare e trovare le risposte alle domande sull’Universo
• Tecnologia: spostare in avanti le frontiere della tecnologia
• Collaborazione: unire le nazioni attraverso la scienza
• Istruzione: formare gli scienziati di domani
Le ricerche svolte al CERN hanno anche applicazioni che hanno una ricaduta
sulla nostra vita quotidiana
World Wide Web Adroterapia: cura di
PET: Positron Emission Tomogaphy g p y
Metodo di diagnosi e localizzazione dei tumori
tumori con fasci di
particelle accelerate
Magneti per risonanze
elettromagnetiche
18

MMa cosa succede d quando d lle particelle ti ll si i scontrano? t ?
• NNon sappiamo i quello ll che h succede d ddurante t lla collisione, lli i cioè i è possiamo i di dire cosa sii
genera alla fine ma non possiamo conoscere cosa succede in ogni singola collisione.
Cosa ha generato i 4 elettroni? Non lo possiamo dire! Perchè per una caratteristica della
meccanica quantistica q quello q che accade nella collisione non si può p osservare
direttamente ma è possibile vedere solo quello che accade fuori.
• Ma allora come possiamo vedere cosa succede in mezzo e se si crea il bosone di Higgs
oppure oppu e no? o
• Per capire, p come si fa a vedere cosa accade, partiamo p da un esempio p un po’ p più p
semplice ...
19

Alea iacta est “il il dado è tratto tratto”
• Prendiamo due dadi e li lanciamo in una scatola particolare chiusa
• Supponiamo di poter sapere soltanto la somma del lancio ma non i risultati dei singoli dadi
• Nell’ipotesi di 2 dadi normali possiamo provare a fare delle ipotesi sui risultati disegnando un
istogramma istogramma.Sull’asse Sull’asse orizzontale si indica il numero delle somme possibili e sull’asse verticale
abbiamo il n. di combinazioni possibili. Ad esempio la somma 2 ha una sola combinazione 1° dado=1
e2° e 2 dado =1. =1 La somma 3 ha 2 combinazioni (1+2 e 2+1) e così via via.
• Se i dadi sono normali e se
sbattessimo la scatola
10.000 volte, e se
indicassimo sul grafico la
frequenza del risultato, man
mano uscirebbe
l’istogramma che abbiamo
disegnato, g , cioè i valori
sperimentali si dispongono
sulla curva teorica.
• Ora cambiamo ipotesi…
Commbinnazioni
poossibbili
2 Dadi normali
3 5 7 9 11
Somme possibili
20

Due dadi normali
Al Alea iiacta t est t
Uno dei due dadi ha 7 facce,
la faccia in piu` ha un altro 6
21

Alea iacta est
Confrontando le diverse ipotesi, vediamo che c’è una differenza: pur non
potendo conoscere direttamente I due dadi, possiamo riuscire a capire che
tipo di dadi sono andando a costruire questa stessa distribuzione con i dati
sperimentali e vedendo quale delle due ipotesi viene privilegiata
22

Higgs iacta est
Questo è esattamente il processo che si applica in una ricerca
come quella del bosone di Higgs. Andiamo a vedere quali sono le
corrispondenze co spo de e ttra a la a ricerca ce ca de del boso bosone e ddi Higgs ggs e l’esperimento
espe e to
con i dadi
• Particelle stabili finali = somma dei due dadi
• Processo collisione per collisione = valore dei singoli dadi
• Esiste il bosone di Higgs gg = un dado ha 7 facce
• Non esiste il bosone di Higgs = entrambi i dadi hanno 6 facce
23

Tiriamo i dadi ...
STATO INIZIALE PROCESSO STATO FINALE
Andiamo a vedere tutte le
combinazioni che
possono dare 10 come
risultato finale,
considerando entrambe
le ipotesi: in rosso le
combinazioni dovute
all’ipotesi con due dadi
normali, li iin bl blu quelle ll
dovute all’ipotesi p con un
dado con 7 facce
10
24

Ti Tiriamo i i ddadi di ...
STATO INIZIALE PROCESSO STATO FINALE
4+6 4 + 6
10
25

Ti Tiriamo i i ddadi di ...
STATO INIZIALE PROCESSO STATO FINALE
4+6 4 + 6
5 + 5
10
26

Ti Tiriamo i i ddadi di ...
STATO INIZIALE PROCESSO STATO FINALE
Francesco Lo
Sterzo
4+6 4 + 6
5 + 5
6+4 6 + 4
10
27

Ti Tiriamo i i ddadi di ...
STATO INIZIALE PROCESSO STATO FINALE
4+6 4 + 6
5 + 5
6+4 6 + 4
4 + 6
10
28

.. e scontriamo ti i protoni p t i
E=mc
STATO INIZIALE PROCESSO STATO FINALE
2
STATO INIZIALE PROCESSO STATO FINALE
ZZ
Z + altro
tt
H→ZZ
In rosso ci sono tutti i
processi che già
conosciamo” grazie al
Modello Standard e che
creano 4 elettroni nello
stato finale
processi che “già e
e
e
e
29

C Cosa vediamo ?
30

Nel canale in 2 fotoni la linea verde rappresenta
l’ipotesi in cui non esiste il bosone di Higgs,
mentre la linea rossa rappresenta pp l’ipotesi p in cui
il bosone di Higgs esiste. I punti neri sono i dati
sperimentali. Come è possibile vedere, i dati
sperimentali privilegiano l’ipotesi con il bosone
di Higgs
H→γγ
Cosa vediamo ?
Nel canale in 4 elettroni l’istogramma l istogramma rosso e viola
rappresenta l’ipotesi in cui non esiste il bosone di
Higgs, mentre gli istogrammi celeste, giallo e grigio
rappresentano tre diverse ipotesi in cui il bosone di
Higgs gg esiste. I ppunti neri sono i dati sperimentali.
p
Come è possibile vedere, i dati sperimentali
privilegiano una ipotesi con il bosone di Higgs
(quella celeste), mentre scartano le altre
H→ZZ→eeee
Utilizzando questi due grafici grafici, gli scienziati di ATLAS e CMS hanno potuto dire di
aver scoperto una nuova particella che assomiglia molto al bosone di Higgs
31

Francesco Lo
Sterzo
Una “foto” del bosone di Higgs ricostruita con
l’eseprimento l eseprimento CMS: le due linee tratteggiate seguite
dalle due torri verdi sono I segnali di due fotoni
prodotti d tti ddal l ddecadimento di t ddel l bbosone di Hi Higgs
32

Scoperta !
Nel Dicembre 2011 al CERN `ee stato tenuto un
seminario simile a quello del 4 Luglio 2012, in cui si
diceva che c’erano c erano i primi indizi del bosone di Higgs Higgs, ma
era ancora presto per sbilanciarsi. Questo perché i dati
accumulati erano ancora pochi
• Se tirando due volte una moneta otteniamo due
volte testa, possiamo dire che la moneta è
truccata? No, perché non abbiamo effettuato
abbastanza prove p
• Se invece la tiriamo 1000 volte e esce sempre
testa? In questo caso sì!
• Nel 2011 e nella prima parte del 2012 sono state
i t t 6 9× 1018 registrate 6.9× 10 lli i i di t i
18 collisioni di protoni
• LLa probabilità b bilità che h i due d picchi i hi ( (che h ci i di dicono che h I
dati sperimentali preferiscono l’ipotesi con il bosone
di Higgs) siano solo fluttuazioni casuali è 5.7× 10-5 33

CConclusioni l i i
• Abbiamo visto che cos’è il bosone di Higgs e come è stato cercato (e
trovato) al CERN di Ginevra
• Abbiamo visto cos cos’è è il CERN e cosa fa
• .. la scienza è un divertimento per pochi addetti ?
"La preoccupazione dell'uomo e del suo destino devono sempre costituire
l'interesse l interesse principale di tutti gli sforzi tecnici tecnici. Non dimenticatelo mai in mezzo a
tutti i vostri diagrammi ed alle vostre equazioni."
• e comunque anche dopo aver trovato il bosone di Higgs, le domande
aperte p sono ancora tante ...
AA. Ei Einstein t i
34