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Descrizione del CERN - Liceo Classico "Costa"

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IL CERN DESCRITTO AGLI STUDENTI DA UNO STUDENTE
Laura SCURI
Liceo Classico “L. Costa”
La Spezia
Laura Scuri
1
Cominciamo a capire l’acronimo
per capire di cosa si parla:
CERN = Consiglio Europeo per la Ricerca Nucleare
L’acronimo è stato generato dalla dizione in francese alla
alla stipula della Convenzione di Parigi del 1954 :
Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire
Laura Scuri
2
Cominciamo a capire l’acronimo
per capire di cosa si parla:
CERN = Consiglio Europeo per la Ricerca Nucleare
L’acronimo è stato generato dalla dizione in francese alla
alla stipula della Convenzione di Parigi del 1954 :
Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire
Le strutture si sono sviluppate dall’origine ad oggi a cavallo del confine
tra il dipartimento francese dell’Ain (regione Rhone-Alpes) e il cantone di
Ginevra che fa parte della Svizzera Romanda (in cui si parla il francese).
Laura Scuri
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Cominciamo a capire l’acronimo
per capire di cosa si parla:
CERN = Consiglio Europeo per la Ricerca Nucleare
L’acronimo è stato generato dalla dizione in francese alla
alla stipula della Convenzione di Parigi del 1954 :
Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire
Le strutture si sono sviluppate dall’origine (1954) ad oggi a cavallo del
confine tra il dipartimento francese dell’Ain (regione Rhone-Alpes) e il cantone di
Ginevra che fa parte della Svizzera Romanda (in cui si parla il francese).
Non si fraintenda il significato dell’aggettivo nucleare !
Nulla a che vedere con impianti industriali per uso civile (centrali) o militare (armi)!
Secondo lo statuto del CERN, tutte le attività sono finalizzate alla ricerca scientifica
sulle interazioni nucleari e subnucleari e allo sviluppo tecnologico ad esse connesso.
Laura Scuri
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Cominciamo a capire l’acronimo
per capire di cosa si parla:
CERN = Consiglio Europeo per la Ricerca Nucleare
L’acronimo è stato generato dalla dizione in francese alla
alla stipula della Convenzione di Parigi del 1954 :
Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire
Le strutture si sono sviluppate dall’origine (1954) ad oggi a cavallo del
confine tra il dipartimento francese dell’Ain (regione Rhone-Alpes) e il cantone di
Ginevra che fa parte della Svizzera Romanda (in cui si parla il francese).
Non si fraintenda il significato dell’aggettivo nucleare !
Nulla a che vedere con impianti industriali per uso civile (centrali) o militare (armi)!
Secondo lo statuto del CERN, tutte le attività sono finalizzate alla ricerca scientifica
sulle interazioni nucleari e subnucleari e allo sviluppo tecnologico ad esse connesso.
In sostanza: si studiano proprietà delle interazioni tra i nucleoni, neutroni e protoni,
delle interazioni tra i quark, componenti dei nucleoni, e, più in generale, le proprietà
fisiche di tutte le particelle elementari che costituiscono la materia (e l’antimateria).
Laura Scuri
5
La storia del CERN: entusiasmo, innovazione e risultati da premio Nobel
Elencate qui le date più importanti; per un maggiore dettaglio si veda l’appendice
1954 : Viene firmata la convenzione per il CERN, aderiscono 12 Paesi tra cui l’Italia
1968 : invenzione delle camere proporzionali (Georges Charpak, premio Nobel 1992), una svolta
nella tecnica di rivelazione delle particelle cariche.
1984 : evidenza diretta dell’esistenza dei bosoni intermedi (C. Rubbia, premio Nobel 1986)
1990 : Tim Berners-Lee della Computing Division del CERN, inventa il Web
1995 : prodotto per la prima volta anti-idrogeno (antimateria) in laboratorio
2008 : inizia l’era della presa dati con LHC; oggi, 3.5 TeV per fascio (3.5 Tera eV = 3,5 x 1012 eV)
(1 eV è l’energia tipica di un quanto di luce, fotone, nella regione spettrale visibile)
Niente paura! La densità di energia a LHC è circa 1 x 1020 Joules per m3; per far collassare
una stella (origine di un buco nero) occorre una densità di 2 x 1036 Joules per m3
6
La storia recente determina la “geografia” del CERN
I 12 Paesi firmatari della convenzione
per la costituzione del CERN (1954)
Laura Scuri
7
La storia recente determina la “geografia” del CERN
I 12 Paesi firmatari della convenzione
per la costituzione del CERN (1954)
Si noti la presenza della ora dissolta
Federazione Jugoslava, unico paese
dell’ ex blocco sovietico; uscita nel 1961
per gli effetti della guerra fredda
Laura Scuri
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La storia recente determina la “geografia” del CERN
I 12 Paesi firmatari della convenzione
per la costituzione del CERN (1954)
Si noti la presenza della ora dissolta
Federazione Jugoslava, unico paese
dell’ ex blocco sovietico; uscita nel 1961
per gli effetti della guerra fredda
Laura Scuri
21 Paesi, attualmente membri, contribuiscono
al budget totale di poco più di 1 miliardo di Euro.
L’Italia, 4o contribuente, partecipa con ca 130 Mil.
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La storia recente determina la “geografia” del CERN
I 12 Paesi firmatari della convenzione
per la costituzione del CERN (1954)
Si noti la presenza della ora dissolta
Federazione Jugoslava, unico paese
dell’ ex blocco sovietico; uscita nel 1961
per gli effetti della guerra fredda
Laura Scuri
21 Paesi, attualmente membri, contribuiscono
al budget totale di poco più di 1 miliardo di Euro.
L’Italia, 4o contribuente, partecipa con ca 130 Mil.
La Spagna entrò nel 1961, uscì nel 1969, rientrò nel 1983
dopo la caduta del regime franchista.
I Paesi dell’est Europa sono entrati a partire dal 1991,
dopo la caduta del muro di Berlino (1989)
10
Localizziamo il CERN
Laura Scuri
11
Localizziamo il CERN
Lago Lemano
Monti Jura
Laura Scuri
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Localizziamo il CERN
Lago Lemano
Monti Jura
LHC
9 Km
Laura Scuri
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Localizziamo il CERN
Lago Lemano
Monti Jura
LHC
9 Km
SPS
iniettore
di LHC
Laura Scuri
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Localizziamo il CERN
Lago Lemano
Monti Jura
LHC
9 Km
SPS
iniettore
di LHC
Sito principale dei
laboratori (Meyrin)
Laura Scuri
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Elementi costitutivi di una macchina acceleratrice
- Un tubo a vuoto, circolare, per gudagnare spazio;
ci vogliono molti cicli=giri per trasferire energia
alle particelle (accelerazione).
Il vuoto serve ad evitare che le particelle (cariche)
accelerate collidano con le molecole di gas residuo
e vengano così assorbite o disperse fuori dall’orbita
- Una serie di dipoli (magneti) che guidano le
particelle carche su una traiettoria circolare
N
S
- Una serie di qudrupoli (magneti) che focalizzano i fasci
di particelle; i qudrupoli servono per:
N
S
a) mantenere compatto il pacchetto (ingl. “bunch”) di particelle
di uguale carica che tenderebbero ad allontanarsi per effetto
S
N
della repulsione elettrostatica (legge di Coulomb)
b) deviare (di pochissimo) le particelle dalla traiettoria curvilinea
per fare collidere fasci circolanti in opposta direzione nei cosiddetti “punti di interazione”
- Una serie di cavità risonanti con campo elettrico variabile
ad alta frequenza (GHz) che accelerano le particelle
Laura Scuri
16
ACCELERAZIONE E COLLISIONE
ALICE, ATLAS, CMS e LHCb sono i nomi degli esperimenti attualmente in presa dati al CERN
I rivelatori di particelle di ciascun esperimento sono installati nei punti di interazione dei fasci di
protoni che circolano in senso opposto
LHC
PS
Laura Scuri
Booster = iniettore
LHC = Large Hadron Collider
SPS = Super Proton Synchrotron
PS = Proton Synchroton
17
ACCELERAZIONE E COLLISIONE
ALICE, ATLAS, CMS e LHCb sono i nomi degli esperimenti attualmente in presa dati al CERN
I rivelatori di particelle di ciascun esperimento sono installati nei punti di interazione dei fasci di
protoni che circolano in senso opposto
Laura Scuri
Booster = iniettore
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ACCELERAZIONE E COLLISIONE
ALICE, ATLAS, CMS e LHCb sono i nomi degli esperimenti attualmente in presa dati al CERN
I rivelatori di particelle di ciascun esperimento sono installati nei punti di interazione dei fasci di
protoni che circolano in senso opposto
Booster = iniettore
Laura Scuri
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ACCELERAZIONE E COLLISIONE
ALICE, ATLAS, CMS e LHCb sono i nomi degli esperimenti attualmente in presa dati al CERN
I rivelatori di particelle di ciascun esperimento sono installati nei punti di interazione dei fasci di
protoni che circolano in senso opposto
Laura Scuri
Booster = iniettore
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ACCELERAZIONE E COLLISIONE
ALICE, ATLAS, CMS e LHCb sono i nomi degli esperimenti attualmente in presa dati al CERN
I rivelatori di particelle di ciascun esperimento sono installati nei punti di interazione dei fasci di
protoni che circolano in senso opposto
Laura Scuri
Booster = iniettore
21
ACCELERAZIONE E COLLISIONE
ALICE, ATLAS, CMS e LHCb sono i nomi degli esperimenti attualmente in presa dati al CERN
I rivelatori di particelle di ciascun esperimento sono installati nei punti di interazione dei fasci di
protoni che circolano in senso opposto
Laura Scuri
Booster = iniettore
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ACCELERAZIONE E COLLISIONE
ALICE, ATLAS, CMS e LHCb sono i nomi degli esperimenti attualmente in presa dati al CERN
I rivelatori di particelle di ciascun esperimento sono installati nei punti di interazione dei fasci di
protoni che circolano in senso opposto
Laura Scuri
Booster = iniettore
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ACCELERAZIONE E COLLISIONE
ALICE, ATLAS, CMS e LHCb sono i nomi degli esperimenti attualmente in presa dati al CERN
I rivelatori di particelle di ciascun esperimento sono installati nei punti di interazione dei fasci di
protoni che circolano in senso opposto
Laura Scuri
Booster = iniettore
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ACCELERAZIONE E COLLISIONE
ALICE, ATLAS, CMS e LHCb sono i nomi degli esperimenti attualmente in presa dati al CERN
I rivelatori di particelle di ciascun esperimento sono installati nei punti di interazione dei fasci di
protoni che circolano in senso opposto
Laura Scuri
Booster = iniettore
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ACCELERAZIONE E COLLISIONE
ALICE, ATLAS, CMS e LHCb sono i nomi degli esperimenti attualmente in presa dati al CERN
I rivelatori di particelle di ciascun esperimento sono installati nei punti di interazione dei fasci di
protoni che circolano in senso opposto
Laura Scuri
Booster = iniettore
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ACCELERAZIONE E COLLISIONE
ALICE, ATLAS, CMS e LHCb sono i nomi degli esperimenti attualmente in presa dati al CERN
I rivelatori di particelle di ciascun esperimento sono installati nei punti di interazione dei fasci di
protoni che circolano in senso opposto
Laura Scuri
Booster = iniettore
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ACCELERAZIONE E COLLISIONE
ALICE, ATLAS, CMS e LHCb sono i nomi degli esperimenti attualmente in presa dati al CERN
I rivelatori di particelle di ciascun esperimento sono installati nei punti di interazione dei fasci di
protoni che circolano in senso opposto
Laura Scuri
Booster = iniettore
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ACCELERAZIONE E COLLISIONE
ALICE, ATLAS, CMS e LHCb sono i nomi degli esperimenti attualmente in presa dati al CERN
I rivelatori di particelle di ciascun esperimento sono installati nei punti di interazione dei fasci di
protoni che circolano in senso opposto
Laura Scuri
Booster = iniettore
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ACCELERAZIONE E COLLISIONE
ALICE, ATLAS, CMS e LHCb sono i nomi degli esperimenti attualmente in presa dati al CERN
I rivelatori di particelle di ciascun esperimento sono installati nei punti di interazione dei fasci di
protoni che circolano in senso opposto
Laura Scuri
Booster = iniettore
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ACCELERAZIONE E COLLISIONE
ALICE, ATLAS, CMS e LHCb sono i nomi degli esperimenti attualmente in presa dati al CERN
I rivelatori di particelle di ciascun esperimento sono installati nei punti di interazione dei fasci di
protoni che circolano in senso opposto
Laura Scuri
Booster = iniettore
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ACCELERAZIONE E COLLISIONE
ALICE, ATLAS, CMS e LHCb sono i nomi degli esperimenti attualmente in presa dati al CERN
I rivelatori di particelle di ciascun esperimento sono installati nei punti di interazione dei fasci di
protoni che circolano in senso opposto
Laura Scuri
Booster = iniettore
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ACCELERAZIONE E COLLISIONE
ALICE, ATLAS, CMS e LHCb sono i nomi degli esperimenti attualmente in presa dati al CERN
I rivelatori di particelle di ciascun esperimento sono installati nei punti di interazione dei fasci di
protoni che circolano in senso opposto
Laura Scuri
Booster = iniettore
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ACCELERAZIONE E COLLISIONE
ALICE, ATLAS, CMS e LHCb sono i nomi degli esperimenti attualmente in presa dati al CERN
I rivelatori di particelle di ciascun esperimento sono installati nei punti di interazione dei fasci di
protoni che circolano in senso opposto
Laura Scuri
Booster = iniettore
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ACCELERAZIONE E COLLISIONE
ALICE, ATLAS, CMS e LHCb sono i nomi degli esperimenti attualmente in presa dati al CERN
I rivelatori di particelle di ciascun esperimento sono installati nei punti di interazione dei fasci di
protoni che circolano in senso opposto
Laura Scuri
Booster = iniettore
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ACCELERAZIONE E COLLISIONE
ALICE, ATLAS, CMS e LHCb sono i nomi degli esperimenti attualmente in presa dati al CERN
I rivelatori di particelle di ciascun esperimento sono installati nei punti di interazione dei fasci di
protoni che circolano in senso opposto
Laura Scuri
Booster = iniettore
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ACCELERAZIONE E COLLISIONE
ALICE, ATLAS, CMS e LHCb sono i nomi degli esperimenti attualmente in presa dati al CERN
I rivelatori di particelle di ciascun esperimento sono installati nei punti di interazione dei fasci di
protoni che circolano in senso opposto
Laura Scuri
Booster = iniettore
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ACCELERAZIONE E COLLISIONE
ALICE, ATLAS, CMS e LHCb sono i nomi degli esperimenti attualmente in presa dati al CERN
I rivelatori di particelle di ciascun esperimento sono installati nei punti di interazione dei fasci di
protoni che circolano in senso opposto
Laura Scuri
Booster = iniettore
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Tutto sotto terra !
Gli esperimenti, in apposite caverne, e le macchine acceleratrici, in apposite gallerie,
giacciono sottoterra (-100 mt max.). Il terreno assorbe la radiazione prodotta nella
accelerazione delle particelle (radiazione di sincrotrone)
LHCb
ATLAS
ALICE
CMS
Laura Scuri
39
Gli esperimenti attualmente in presa dati d LHC
Quattro esperimenti principali sono in presa dati ad LHC e i rivelatori ad essi associati sono
installati nei 4 punti di intersezione delle orbite
Laura Scuri
40
Gli esperimenti attualmente in presa dati d LHC
Quattro esperimenti principali sono in presa dati ad LHC e i rivelatori ad essi associati sono
installati nei 4 punti di intersezione delle orbite
ATLAS e CMS sono esperimenti “multi-purpose”, ovvero
progettati per poter eseguire tanti tipi di misure; lo scopo
principale è la scoperta del bosone di Higgs (vedi oltre)
LHC-B è un esperimento dedicato alla misura delle
proprietà del quark “b”
ALICE è dedicato allo studio delle collisioni tra ioni pesanti (Pb+);
all’energia di LHC, gli ioni si fondono originando un plasma di
gluoni e quark quasi liberi, in condizioni analoghe al primo
microsecondo dopo il BIG-BANG.
Laura Scuri
41
Gli esperimenti attualmente in presa dati d LHC
Quattro esperimenti principali sono in presa dati ad LHC e i rivelatori ad essi associati sono
installati nei 4 punti di intersezione delle orbite
ATLAS e CMS sono esperimenti “multi-purpose”, ovvero
progettati per poter eseguire tanti tipi di misure; lo scopo
principale è la scoperta del bosone di Higgs (vedi oltre)
LHC-B è un esperimento dedicato alla misura delle
proprietà del quark “b”
ALICE è dedicato allo studio delle collisioni tra ioni pesanti (Pb+);
all’energia di LHC, gli ioni si fondono originando un plasma di
gluoni e quark quasi liberi, in condizioni analoghe al primo
microsecondo dopo il BIG-BANG.
N.B. Il termine “esperimento” è da considerarsi, dal punto di vista grammaticale, un
“nome collettivo” in senso esteso; con esso si intende:
- il rivelatore, ovvero l’insieme della strumentazione necessaria alla misura delle quantità
osservabili, alla selezione degli eventi di interesse (trigger) e al trasferimento e alla analisi
dei dati (elettronica di conversione dei segnali elettrici in numeri binari, inglese DAQ,
Data AcQuisition, e rete di computer per l’analisi dei dati)
- il progetto delle misure da eseguire e della analisi dei dati
- la comunità dei ricercatori che ha progettato l’attività di ricerca, partecipa ai turni di presa
dati ed esegue l’analisi dei risultati.
Laura Scuri
42
Dimensioni e complessità impressionanti dei rivelatori ad LHC
ATLAS
LHCb
Laura Scuri
CMS
ALICE
43
Le interazioni primarie a LHC nei punti di collisione
I protoni “viaggiano” all’interno degli anelli intersecanti raggruppati in pacchetti (bunches)
Laura Scuri
44
Le interazioni primarie a LHC nei punti di collisione
I protoni “viaggiano” all’interno degli anelli intersecanti raggruppati in pacchetti (bunches)
Laura Scuri
45
Le interazioni primarie a LHC nei punti di collisione
I protoni “viaggiano” all’interno degli anelli intersecanti raggruppati in pacchetti (bunches)
Solo poche coppie di protoni all’interno di ciascun pacchetto interagiscono liberando i quark
costituenti (3 per protone)
Laura Scuri
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Le interazioni primarie a LHC nei punti di collisione
I protoni “viaggiano” all’interno degli anelli intersecanti raggruppati in pacchetti (bunches)
Solo poche coppie di protoni all’interno di ciascun pacchetto interagiscono liberando i quark
costituenti (3 per protone)
Laura Scuri
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Le interazioni primarie a LHC nei punti di collisione
I protoni “viaggiano” all’interno degli anelli intersecanti raggruppati in pacchetti (bunches)
Solo poche coppie di protoni all’interno di ciascun pacchetto interagiscono liberando i quark
costituenti (3 per protone)
Laura Scuri
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Le interazioni primarie a LHC nei punti di collisione
I protoni “viaggiano” all’interno degli anelli intersecanti raggruppati in pacchetti (bunches)
Solo poche coppie di protoni all’interno di ciascun pacchetto interagiscono liberando i quark
costituenti (3 per protone)
Laura Scuri
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Le interazioni primarie a LHC nei punti di collisione
I protoni “viaggiano” all’interno degli anelli intersecanti raggruppati in pacchetti (bunches)
Solo poche coppie di protoni all’interno di ciascun pacchetto interagiscono liberando i quark
costituenti (3 per protone)
I quark “liberi” interagiscono scambiando quanti di energia chiamati gluoni che generano, grazie all’energia totale disponibile, altri quark e altri gluoni, formando sciami di partoni
(quark e gluoni)
Laura Scuri
50
Adroni e particelle elementari prodotte nei decadimenti
L’interazione “forte”, di cui i gluoni sono i mediatori, aumenta con la distanza tra i quark fino
a quando i quark liberi non vengono nuovamente confinati in nuove particelle elementari,
gli adroni: adroni a due quark sono chiamati mesoni, adroni a 3 quark sono chiamati barioni
3 quark = barione
Barioni sono anche i protoni e i neutroni,
i costituenti di tutti gli atomi
Adroni
2 quark = mesone
Laura Scuri
51
Adroni e particelle elementari prodotte nei decadimenti
L’interazione “forte”, di cui i gluoni sono i mediatori, aumenta con la distanza tra i quark fino
a quando i quark liberi non vengono nuovamente confinati in nuove particelle elementari,
gli adroni: adroni a due quark sono chiamati mesoni, adroni a 3 quark sono chiamati barioni
3 quark = barione
Barioni sono anche i protoni e i neutroni,
i costituenti di tutti gli atomi
Adroni
2 quark = mesone
Una volta formati, gli adroni possono decadere:
a) per interazione forte, in altri adroni: un quanto di energia,
gluone, emesso da un quark si materializza in altri due quark.
Laura Scuri
52
Adroni e particelle elementari prodotte nei decadimenti
L’interazione “forte”, di cui i gluoni sono i mediatori, aumenta con la distanza tra i quark fino
a quando i quark liberi non vengono nuovamente confinati in nuove particelle elementari,
gli adroni: adroni a due quark sono chiamati mesoni, adroni a 3 quark sono chiamati barioni
3 quark = barione
Barioni sono anche i protoni e i neutroni,
i costituenti di tutti gli atomi
Adroni
2 quark = mesone
Una volta formati, gli adroni possono decadere:
a) per interazione forte, in altri adroni: un quanto di energia,
gluone, emesso da un quark si materializza in altri due quark.
b) per interazione debole, in altri adroni e leptoni: un quanto
di energia, bosone Z o W, decade in una coppia quark-antiquark
o in una coppia di leptoni; nell’esempio il decadimento beta
neutrone
Laura Scuri
53
Adroni e particelle elementari prodotte nei decadimenti
L’interazione “forte”, di cui i gluoni sono i mediatori, aumenta con la distanza tra i quark fino
a quando i quark liberi non vengono nuovamente confinati in nuove particelle elementari,
gli adroni: adroni a due quark sono chiamati mesoni, adroni a 3 quark sono chiamati barioni
3 quark = barione
Barioni sono anche i protoni e i neutroni,
i costituenti di tutti gli atomi
Adroni
2 quark = mesone
Una volta formati, gli adroni possono decadere:
a) per interazione forte, in altri adroni: un quanto di energia,
Gluone (massa nulla!) emesso da un quark si materializza in altri due quark.
Neutrone(u,d,d)
b) per interazione debole, in altri adroni e leptoni: un quanto
di energia, bosone Z o W (massa circa 100 GeV), decade in una
coppia quark-antiquark o in una coppia di leptoni; nell’esempio
il decadimento beta neutrone
Laura Scuri
Protone(u,u,d)
Elett.
W-
Neutrino_e
54
Classificazione delle particelle elementari: la regola del “3”
I costituenti base della materia
3 quark con carica elettrica +2/3 e
u
c
t
3 quark con carica elettrica -1/3 e
d
s
b
u = “up”, c = “charm”, t = “top”
d = “down”, s = “strange”, b = “bottom”
“e” è la carica elettrica elementare, pari a quella dell’elettrone ( e =1.6 x 10-19 Coulomb)
Laura Scuri
55
Classificazione delle particelle elementari: la regola del “3”
I costituenti base della materia
3 quark con carica elettrica +2/3 e
u
c
t
3 quark con carica elettrica -1/3 e
d
s
b
u = “up”, c = “charm”, t = “top”
d = “down”, s = “strange”, b = “bottom”
“e” è la carica elettrica elementare, pari a quella dell’elettrone ( e =1.6 x 10-19 Coulomb)
3 leptoni con carica elettrica = e
e
µ
τ
e = “elettrone”, µ = “muone”, τ = “tau”
3 neutrini associati a ciascun tipo
di letpone di carica elettrica nulla
νe νµ
ντ
νe = “neutrino e”, νµ = “neutrino µ”,
ντ = “neutrino τ”
Laura Scuri
56
Classificazione delle particelle elementari: la regola del “3”
I costituenti base della materia
3 quark con carica elettrica +2/3 e
u
c
t
3 quark con carica elettrica -1/3 e
d
s
b
u = “up”, c = “charm”, t = “top”
d = “down”, s = “strange”, b = “bottom”
“e” è la carica elettrica elementare, pari a quella dell’elettrone ( e =1.6 x 10-19 Coulomb)
3 leptoni con carica elettrica = e
e
µ
τ
e = “elettrone”, µ = “muone”, τ = “tau”
3 neutrini associati a ciascun tipo
di letpone di carica elettrica nulla
νe νµ
ντ
νe = “neutrino e”, νµ = “neutrino µ”,
ντ = “neutrino τ”
I neutrini sono leptoni; i quark e i leptoni sono fermioni, ovvero sono caretterizzati da
numero quantico di spin (rotazione intorno al proprio asse) semintero.
Laura Scuri
57
Classificazione delle particelle elementari: la regola del “3”
I costituenti base della materia
3 quark con carica elettrica +2/3 e
u
c
t
3 quark con carica elettrica -1/3 e
d
s
b
u = “up”, c = “charm”, t = “top”
d = “down”, s = “strange”, b = “bottom”
“e” è la carica elettrica elementare, pari a quella dell’elettrone ( e =1.6 x 10-19 Coulomb)
3 leptoni con carica elettrica = e
e
µ
τ
e = “elettrone”, µ = “muone”, τ = “tau”
3 neutrini associati a ciascun tipo
di letpone di carica elettrica nulla
νe νµ
ντ
νe = “neutrino e”, νµ = “neutrino µ”,
ντ = “neutrino τ”
I neutrini sono leptoni; i quark e i leptoni sono fermioni, ovvero sono caretterizzati da
numero quantico di spin (rotazione intorno al proprio asse) semintero.
I quark, oltre alla carica elettrica, hanno una
carica di colore o anti-colore di 3 possibili:
Laura Scuri
I nomi della carica di colore sono
convenzionali e non hanno relazione
con i colori osservabili in natura
58
Un semplice esempio di “interazione” e “mediatore” dell’interazione
Laura Scuri
59
Un semplice esempio di “interazione” e “mediatore” dell’interazione
Pippa e Pippo interagiscono sul ghiaccio (superficie senza attrito)
Laura Scuri
60
Un semplice esempio di “interazione” e “mediatore” dell’interazione
Pippa e Pippo interagiscono sul ghiaccio (superficie senza attrito)
Il pallone è il mediatore dell’interazione (meccanica) tra i due
Laura Scuri
61
Un semplice esempio di “interazione” e “mediatore” dell’interazione
Pippa e Pippo interagiscono sul ghiaccio (superficie senza attrito)
Il pallone è il mediatore dell’interazione (meccanica) tra i due
Il mediatore trasferisce energia (cinetica) da un interagente (Pippa) all’altro (Pippo)
Laura Scuri
62
Un semplice esempio di “interazione” e “mediatore” dell’interazione
Pippa e Pippo interagiscono sul ghiaccio (superficie senza attrito)
Il pallone è il mediatore dell’interazione (meccanica) tra i due
Il mediatore trasferisce energia (cinetica) da un interagente (Pippa) all’altro (Pippo)
Laura Scuri
63
Cosa manca nella precedente descrizione ?
Laura Scuri
64
Cosa manca nella precedente descrizione ?
ll bosone di Higgs che tutti (in particolare gli esperimenti a LHC) cercano !
Laura Scuri
65
Cosa manca nella precedente descrizione ?
ll bosone di Higgs che tutti (in particolare gli esperimenti a LHC) cercano !
Nel 1964 il fisico scozzese Peter Higgs ipotizzò che dopo il Big Bang, l’universo
sia permeato da un fluido energetico (il Campo di Higgs) con cui interagiscono
le particelle elementari, prive di massa all’origine. Il bosone di Higgs sarebbe il
mediatore che trasferisce energia dal Campo di Higgs alle particelle dando loro
massa diversa da zero. Per la sua natura, lo stesso bosone di Higgs deve avere
massa non nulla, ma il msuo valore non è predetto dalla teoria.
Nota bene !
Per il principio di equivalenza
Massa <–> Energia, E = mc2 ,
in fisica delle particelle le masse si misurano in eV/c2
ovvero Energia (eV) / velocità della luce al quadrato (c2)
Laura Scuri
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Il calcolo negli esperimenti di fisica: grandi quantità di dati e sistemi distribuiti
- La quantità di dati “grezzi” (non filtrati
dall’analisi computazionale)
accumulata in un anno a LHC richiede
una memoria pari a quella di:
• 12 milioni di desktop/laptop da 500 GB
• 36 milioni di Ipods da 160 GB
• 1.2 miliardi di DVD da 5 GB
La memoria e la potenza di calcolo richieste non
non possono essere localizzate in un unico luogo
Per questo è stata creata una rete mondiale (GRID)
di centri di calcolo dedicato alla analisi dei dati
- Per analizzare un evento di LHC occorrono,
in media, 100 ms di una CPU “dual-core”;
ciascun ricercatore, per analizzare i dati
in tempo reale deve poter disporre dell’equivalente di 20 CPU dual-core, ovvero
20 personal computer!
67
Laura Scuri
Come appare un centro di calcolo …..
Laura Scuri
68
Come appare un centro di calcolo …..
La distribuzione e lo stoccaggio delle
cassette dati avviene mediante robots
Laura Scuri
69
Come appare un centro di calcolo …..
Ciascun “rack” (telaio) può contenere
centinaia di CPU
Laura Scuri
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Altre attività importanti del CERN non connesse a LHC
1) Generazione del fascio di neutrini per gli
esperimenti situati nel tunnel del Gran Sasso
(sigla del progetto CNGS : Cern Neutrinos to Gran Sasso)
Un fascio di neutrini-mu viene prodotto da
protoni che interagiscono su un bersaglio di
grafite e vengono diretti verso i laboratori
dell‘Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
del Gran Sasso (vedi oltre)
Laura Scuri
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Altre attività importanti del CERN non connesse a LHC
1) Generazione del fascio di neutrini per gli
esperimenti situati nel tunnel del Gran Sasso
(sigla del progetto CNGS : Cern Neutrinos to Gran Sasso)
Un fascio di neutrini-mu viene prodotto da
protoni che interagiscono su un bersaglio di
grafite e vengono diretti verso i laboratori
dell‘Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
del Gran Sasso (vedi oltre)
2) Esperimenti di produzione e studio delle proprietà dell’antimateria
Laura Scuri
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Altre attività importanti del CERN non connesse a LHC
1) Generazione del fascio di neutrini per gli
esperimenti situati nel tunnel del Gran Sasso
(sigla del progetto CNGS : Cern Neutrinos to Gran Sasso)
Un fascio di neutrini-mu viene prodotto da
protoni che interagiscono su un bersaglio di
grafite e vengono diretti verso i laboratori
dell‘Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
del Gran Sasso (vedi oltre)
2) Esperimenti di produzione e studio delle proprietà dell’antimateria
Nel 2010 l’esperimento Alpha è riuscito, per la prima volta in
laboratorio, a produrre antimateria (anti-idrogeno) e a
confinare 38 anti-atomi per circa mezz’ora.
Laura Scuri
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L’esperimento coi neutrini
2.4 ms è il tempo impiegato per percorrere 732 Km tra il CERN
e I Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) dell’ INFN
(Istituto Nazionale di Fisica Nucleare)
Laura Scuri
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L’esperimento coi neutrini
2.4 ms è il tempo impiegato per percorrere 732 Km tra il CERN
e I Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) dell’ INFN
(Istituto Nazionale di Fisica Nucleare)
-I neutrini interagiscono poco (= poca probabilità di essere assorbiti) con la materia
-Una grande frazione dei neutrini prodotti al CERN arrivano senza interazioni ai LNGS
- Molti esperimenti con neutrini (difficili da rivelare) vengono fatti sotto terra per ridurre
gli effetti sui rivelatori della radiazione cosmica (sciami di particelle che arrivano dallo spazio)
Laura Scuri
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Conclusioni
• E’ stato un po’ faticoso reperire e organizzare il materiale, ma, alla fine, divertente.
• Per quello che ho capito, mi sembra tutto molto interessante
• Domande ?
…. per favore fatele agli insegnanti o a chi mi ha aiutato ([email protected]),
io non sono ancora certo padrona della materia …..
Grazie per la vostra attenzione !
( e grazie a mio padre che mi ha aiutato a preparare la presentazione )
Fonti principali consultate:
- il sito Web di Wikipedia http://it.wikipedia.org
- il sito Web del CERN
http://www.cern.ch
- i siti web degli esperimenti citati
Laura Scuri
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