Paolo Montagna, Paolo Vitulo in collaborazione con Fabrizio Boffelli, Pablo Genova Dipartimento di Fisica – Università di Pavia INFN Sezione di Pavia La Fisica e le leggi di natura Abbiamo uno zoo di par:celle! A volte la fisica sembra un guazzabuglio di discipline diverse: ele7ricita’, magne:smo, gravita’, calore, rela:vita’, acus:ca... Cosa :ene insieme tu7e queste cose? La fisica in realta’ e’ lo studio delle leggi fondamentali della natura Tu7e le altre scienze naturali (biologia, geologia, ecc.) devono basarsi sulle stesse leggi di base, formulare enuncia: che siano con esse consisten: e non possono mai contraddirle! Quali sono le leggi veramente fondamentali ? 2 Cerchiamo un principio guida In un mondo dove tu7o sembra possibile e niente sembra esa7amente determinato proviamo a inden:ficare almeno cio’ che e’ proibito... Le leggi di conservazione!! Tu7o e’ possibile, ma non violare le leggi di conservazione 3 Le leggi di conservazione gia’ note dalla fisica classica   Conservazione dell’energia (estesa rela:vis:camente alla massa)   Conservazione della quan:ta’ di moto (nei sistemi isola:)   Conservazione del momento della quan:ta’ di moto   Conservazione della carica ele7rica Devono essere valide anche in meccanica quan:s:ca!! 4 Il conce;o di Invarianza Ulteriori evoluzioni sono venute dall’algebra: le operazioni di simmetria tra7ate nell’ambito della “Teoria dei Gruppi” Disciplina divenuta uno degli ingredien? imprescindibili nello studio dei fondamen? della natura In fisica oggi diciamo che un sistema e’ simmetrico rispe4o ad una data operazione/ trasformazione se, dopo aver compiuto tale operazione, esso appare ancora lo stesso o si comporta allo stesso modo (segue la stessa legge, e’ ancora un sistema ammissibile dalle leggi che conosciamo) SIMMETRIA INVARIANZA RISPETTO AD UNA TRASFORMAZIONE 5 Alcune operazioni di simmetria… … che lasciano invariante in tu7o o in parte un sistema fisico “microscopico”   Traslazione nello spazio   Traslazione nel tempo   Rotazione di un angolo fisso   Velocita’ uniforme in linea re7a (trasf. di Lorentz)   Inversione del tempo   Riflessione dello spazio   Scambio di atomi o par:celle iden:che Ce ne sono altre, meno eviden5... Per esempio: lo scambio materia-‐an: materia sembra essere una simmetria della fisica 6 L’illuminazione fondamentale: il legame fra Leggi di Conservazione e Simmetrie Teorema di Emma Noether ~1918 Gia’ noto prima della meccanica quan:s:ca Ad ogni invarianza/simmetria di un sistema fisico corrisponde una legge di conservazione 7 Esempi di corrispondenza Invarianza per: Traslazione nel tempo Traslazione nello spazio Rotazione nello spazio ???? Riflessione spaziale Conservazione di: Energia Quantita’ di moto Momento della quantita’ di moto Carica elettrica Parità Parità ???? 8 E se rovesciamo la logica?   Avendo stabilito la profonda connessione fra conservazioni e principi di simmetria / invarianza possiamo rovesciare l’approccio della fisica 9 Nuove leggi di conservazione Ben presto si scopri’ che le par:celle elementari erano organizzate in “Famiglie” e obbedivano a nuove leggi di conservazione della Famiglia (ma non tu7e). Per esempio:   Classe dei “Barioni”: protone, neutrone, ... Conservazione del Numero Barionico: Nbarioni -‐ Nan:-‐barioni = costante   Classe dei “Leptoni”: ele7rone, neutrino dell’ele7rone, ... Conservazione del Numero Leptonico: Nleptoni – Nan:-‐leptone = costante Ma a quale principio di simmetria corrispondono??? 10 Le nuove leggi in pra:ca:   Assegniamo Carica Barionica (numero barionico) B = 1 ad ogni barione e B = -‐1 ad ogni an:-‐barione. ta a v r   Analogamente facciamo per i leptoni con il numero L osse i a : m k a f in p + p → p + p + p + e-‐ ΔB = +1, ΔL = + 1: Vietata!!!! B=2; L=0 B=3; L=1 p + p → p + p + p + p ΔB = 0, ΔL = 0: Permessa!!!! ….. DEVE AVVENIRE: OBBLIGATORIA! B=2; L=0 U:lizzata per arrivare alla scoperta dell’an:protone (1955) E. Segre O. Chamberlain 11 Altre nuove conservazioni e simmetrie   “Coniugazione di carica”: scambio materia – an:materia numero quan:co C (par:celle +1, an:par:celle -‐1)   “Stranezza”: numero quan:co S portato da alcune par:celle par:colari come i “mesoni K”   “Spin isotopico”: uno speciale momento associato alla “rotazione” in uno spazio astra7o: protone e neutrone sono due sta: di un solo genere: il “nucleone”. A seconda da che par: “lo giri” lo vedi come protone (Iz=1/2) o come neutrone (Iz=-‐1/2) ... (W.Heisemberg) ... si aggiungono alle classiche. 12 Non tu7e le conservazioni hanno lo stesso peso... Alcune leggi di conservazione valgono in assoluto, cioe’ sempre: energia, quan:ta’ di moto, momento della quan:ta’ di moto, carica... Altre simmetrie e conservazioni sembrano valere solo in alcuni casi (per certe interazioni e non altre): C, P, spin isotopico, stranezza, ecc. Su questo aspe7o la prima importante scoperta avviene nel 1956.... 13 L’interazione nucleare debole non conserva P !!!! Co60 Esperimento di Madam Wu sul decadimento del Co60 Questa interazione dis:ngue destra da sinistra specchio e-‐ e-‐ e-‐ impossibile possibile CHE MESSAGGIO RICEVIAMO DA QUESTO? 14 Interazioni fondamentali e leggi di conservazione Legge di conservazione Interazione forte Interazione elettromagnetica Interazione debole CPT Si Si Si Energia/Momento Si Si Si Carica Elettrica Si Si Si Numero barionico Si Si Si Numero Leptonico-e Si Si Si Numero Leptonico-µ Si Si Si C Si Si No P Si Si No CP (o T) Si Si No Spin Isotopico Si No No 15 Il teorema CPT Fondamentale per la Fisica Moderna: Tutte le leggi fisiche non cambiano se a un sistema si applicano in sequenza e in ogni ordine TRE operazioni: • Coniugazione di carica C • Scambio di parità P • Inversione temporale T Il teorema CPT per ora è sempre stato verificato. Come conseguenza, ha che particelle e antiparticelle DEVONO avere: carica (non solo elettrica) uguale e opposta stessa massa stessa vita media stesso momento magnetico N.B. Dalla fusione della Meccanica quan:s:ca con la Rela:vita’ ricaviamo la cornice matema:ca 16 della fisica moderna: Teoria dei Campi Quan:zza: Intermezzo ? 17 Alcuni percorsi nella fisica delle par:celle Il bosone di Higgs I neutrini La verifica del Modello Standard La materia oscura 18 Lo scopo della fisica delle particelle Come è fatta la materia? Quali sono i suoi costituenti fondamentali? Che cosa li tiene insieme? Come ha avuto origine l’Universo? Come si è evoluto? Come diventerà in futuro? La curiosità e il bisogno di esplorare il mondo sono tipici della razza umana 19 20 21 Il bosone di Higgs Possiamo pensare alla par:cella di Higgs come il messaggero del campo di Higgs, come un fiocco di neve. Possiamo pensare al vuoto come un mezzo denso che offre una resistenza ad una forza e quindi é equivalente ad una massa: quark top ele7rone 22 Test di precisione del MS CERN, LEP, 1989-2000 G. t Hoos, M. Veltman 23 Ri-scoperta del Modello Standard a CMS scoperta originale favolosa comprensione e ri-‐scoperta del Modello Standard ri-‐scoperta a CMS 24 Limi: del Modello Standard e nuova fisica   Non include gravità   Naturalezza/gerarchia (presenza di scalari elementari)   Grande unificazione?   Materia oscura(!)   Energia oscura(!!)   Masse e oscillazioni di neutrini 25 La “ricetta” per fare l’Universo (primi anni del 2000) Conosciamo solo il 5% di quello che compone l’Universo. Il resto è sconosciuto. Materia oscura? Energia oscura? 75% 25% Dopo Planck 26 27 28 29 Discovery of neutrino oscilla:on Super-‐Kamiokande (1998) Up-‐going Down-‐going Half of the νµ are lost! Oscillated to undetected ντ 2002 Nobel Prize Koshiba (superK Spokesman) shared with Davis νµ νe ντ 30 Le par:celle ci piovono in testa  La nostra atmosfera è bombardata con:nuamente da radiazioni che provengono dall’esterno: •protoni •  nuclei di He (par:celle alfa) •  nuclei più pesan: Radiazione cosmica: pioggia di par?celle di alta energia Conseguenze: Come conseguenza dell’urto dei protoni primari con l’atmosfera e in seguito alla produzione e decadimento di particelle, uno sciame di particelle si propaga dal punto di produzione fino al livello del mare (e particelle più energetiche arrivano anche sottoterra) 31 Raggi Cosmici... I raggi cosmici primari sono prevalentemente protoni ad alta energia (Provenienza: Sole, Galassia, Extra Galassia) 32 Quante ne arrivano ? Il flusso delle par:celle secondarie a livello del mare è di circa 1 /(cm2 minuto) .....con energia media di circa 2-‐4 GeV (1 GeV = 109 eV) A 1V B ....In fisica Nucleare (e SubNucleare) si usa sempre l’ “ele4ronVolt” o eV che corrisponde all’energia acquisita da un ele4rone quando viene accelerato tra due pun? A e B tra i quali esiste una differenza di potenziale di 1 V. 33 E’ tanto ? E’ poco ? 1 eV = 1.6 x 10-‐19 J I raggi cosmici di tuk i giorni.... 34 Dove nascono i RC ? L’origine dei raggi cosmici di al:ssima energia è ancora misteriosa. La sorgente di queste par:celle sia essa all’interno della Galassia o extragalakca non è nota, così come i meccanismi che possono produrre tali energie così elevate. Ora conosciamo in de7aglio in che cosa consiste questa radiazione e come essa interagisce con l’atmosfera....ma a par:re dai primi anni del 1900 questa radiazione era ancora un ...mistero... 4 milioni di tonnellate di idrogeno del Sole vengono trasformate in energia ogni secondo (E=mc2). Il Sole produce circa 1038 neutrini al secondo. Di essi circa 60 miliardi al secondo a7raversano ogni centrimetro quadrato della superficie terrestre. 35 D: Come studiare le par:celle elementari? R: Con o SENZA acceleratori Siamo fortunati, perchè la natura ci fornisce particelle già accelerate! …dai collassi stellari! …dal Sole! …bisogna “solo” trovare dei modi furbi per “catturarle”… come ? …da urti tra particelle nell’atmosfera! 36 ...osservando il cielo mettendoci sottoterra! Sembra una contraddizione, ma se vogliamo osservare le particelle più strane che arrivano dallo spazio dobbiamo eliminare le fonti di “rumore” come la radioattività e i raggi cosmici... … e quindi mettendo i rivelatori di queste particelle sotto molti chilometri di roccia, che lascia passare solo le particelle che interagiscono meno con la materia… 37 ICARUS Ricerca eventi rari: neutrini che vengono dal Sole e dalle esplosioni di Supernove, neutrini che vengono sparati da un acceleratore che si trova al CERN e il decadimento del protone I neutrini interagiscono poco con la materia, quindi l’Universo ne è pieno. ICARUS cerca di scoprire se hanno una massa: con il loro numero possono contribuire alla massa dell’Universo e condizionare la sua espansione 38 ICARUS T600 @ LNGS L’idea per il rivelatore ICARUS fu proposta già nel 1977 dal premio Nobel Italiano Carlo Rubbia 39 40 Una parJcella che a;raversa il rivelatore ionizza gli atomi di Argon; gli ele;roni vengono guidaJ da un campo ele;rico verso tre piani di fili sui quali si induce un segnale che viene elaborato dall’ele;ronica. Argon liquido (89 K) Anodo: 3 piani di fili (a ±60° e 0°) Catodo Rivelatore ICARUS T600 41 42 43 Come lavora la scienza: un esempio Neutrini superluminali? L’esperimento OPERA (INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso)   I neutrini sono leptoni a massa “quasi nulla”, e quindi devono viaggiare “quasi” alla velocità della luce, che secondo Einstein è comunque la velocità limite nel vuoto.   Esistono tre tipi di neutrini: νe, νµ e ντ, che secondo la Meccanica Quantistica possono “oscillare”, cioè trasformarsi l’uno nell’altro   Al Gran Sasso l’esperimento OPERA ha osservato l’oscillazione νµ  ντ tra neutrini “sparati” dal CERN attraverso la crosta terrestre   Come risultato collaterale, ha ottenuto una misura indiretta della velocità di questi neutrini. … SORPRESA!!!  44 Il viaggio dei neutrini: dubbi 23.09.2011: OPERA experiment invites scru:ny of unexpected results The OPERA experiment, which observes a neutrino beam from CERN 730 km away at Italy's INFN Gran Sasso Laboratory, will present new results in a seminar at CERN today. The OPERA result is based on the observation of over 15000 neutrino events measured at Gran Sasso, and appears to indicate that the neutrinos travel at a velocity 20 parts per million above the speed of light, nature’s cosmic speed limit. Given the potential far-reaching consequences of such a result, independent measurements are needed before the effect can either be refuted or firmly established. This is why the OPERA collaboration has decided to open the result to broader scrutiny. A view of the OPERA detector in Gran Sasso, Italy. Neutrino beams from CERN in Switzerland are sent over 700 km through the Earth's crust to the laboratory in Italy. 45 Il viaggio dei neutrini: certezze (!?) 46 Il viaggio dei neutrini: errori ADDIO NOBEL… www.ANSA.it Neutrini, lascia il fisico Ereditato Da suo esperimento neutrini sembravano più veloci della luce 30 marzo, 20:16 La scienza sbaglia, ma sa come correggere da sola i suoi errori: “provando e riprovando” (Galileo) 47 48 Bibliografia •  h7ps://agenda.infn.it/conferenceDisplay.py?confld=6439 (P. Montagna & P: Vitulo) •  Simmetrie e leggi di conservazione, G. Bakstoni, INFN e Dip. Fisica Università Milano 1, seminario •  La fisica teorica di fron:era al CERN, O. Nicrosini, INFN e UNIPV, seminario •  La fisica sperimentale di fron:era al CERN, M. Fraternali, Dipar:mento di Fisica, UNIPV, seminario •  La fisica delle par:celle elementari, A. Menegolli, Dipar:mento di Fisica & INFN Pavia, seminario •  h7p://icarus.lngs.infn.it/ •  h7p://www.lnf.infn.it/media/wu/ 49 Grazie per l’attenzione! 50 51 COSTI 52