Presentazione06.12

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Published on February 22, 2014

Author: knori

Source: slideshare.net

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Un'introduzione al bosone di Higgs, per studenti e per utenti non esperti di fisica

l la ice ar t ap el l ad rc ice ar All ut a rd pe Perché il bosone di higgs è così importante?

Introduzione La materia è fatta di atomi ● Gli atomi sono fatti di nucleo + elettroni ● Il nucleo è fatto di particelle ● A loro volta composte ● Quando finisce la scala? ● 2

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Il modello Standard Cos'è ● Elenco di particelle e interazioni tra esse (campi) Descrizione delle interazioni in termini di scambi di particelle elementari Cosa non è ● Una teoria del tutto Cosa c'è dentro ● Matematica complessa (teorie dei gruppi, gauge) 4

Breve storia delle particelle... ● 1885 – Becquerel & Curie  Scoperta ● ● del decadimento radiattivo 1898 – Thompson  Scoperta ●  Scoperta ● della relatività ristretta e dualismo onda-particella ● ● delle particelle alfa e dei protoni della meccanica quantistica ● ● delle forze deboli (neutrino) 1964 – Gell-Mann & Zweig dei quark 1964 – Higgs  Proposta della rottura spontanea di simmetria 1968 – Glashow & Weinberg & Abdus Salam  Formalizzazione 1928 – Dirac  Teorizzazione 1934 - Fermi  Teoria 1926 – Heisenberg & Schrödinger  Formulazione ● ● 1911 – Rutherford  Scoperta del positrone  Teorizzazione  Teoria ● del neutrone 1932 – Anderson  Scoperta dell'elettrone 1905 – Einstein 1932 - Chadwick dell'antimateria ● del modello standard 1983 – Rubbia  Scoperta dei bosoni W e Z 5

… e delle loro osservazioni ● 1937 – Street & Stenenson Osservazione ● ● ● 1983 – Rubbia Scoperta ● del neutrino muonico del leptone tau dei bosoni W e Z 1995 – FermiLAB Osservazione del quark top 1969 – Friedmann & Kendall & Taylor ● 2000 – FermiLAB Prima ● 1977 – SPEAR Osservazione del neutrino elettronico 1962 – Lederman Osservazione ● del muone 1956 – Reines & Cowan Osservazione ● evidenza dei quark 1974 – Brookhaven & SlAC Osservazione del quark charmed Osservazione ● del neutrino tau 2013 – CERN – LHC Osservazione del bosone di Higgs 6

Il Modello Standard Quark ● Tre generazioni della materia (fermioni) I 2,4 MeV u carica→ ⅔ spin→ ½ 1,27 GeV 171,2 GeV 0 ⅔ ½ ⅔ ½ 0 up nome→  Fermioni c charm t Quark γ 1 top fotone 4,8 MeV 104 MeV 4,2 GeV -⅓ ½ -⅓ ½ -⅓ ½ barioni (3) e mesoni (2) 0 0 d down s strange  b g  Possiedono 1 bottom <0,17 MeV <15,5 MeV 0 0 0 ½ ½ 1 ● 91,2 GeV 0 ½ νe νμ ντ Z neutrino elettronico neutrino muonico neutrino tauonico 0,511 MeV 105,7 MeV 1,777 GeV 80,4 GeV -1 -1 -1 ±1 ½ e elettrone ½ μ muone Per un esaustivo e completo ½ τ W tauone 1  Fermioni 0 forza debole forza debole ± una carica “di colore” Leptoni gluone <2,2 eV Leptoni (spin semi-intero)  Soggetti all'interazione forte ed elettrodebole  Costituiscono adroni: III Bosoni di gauge massa→ II  3 particelle con i rispettivi neutrini Mediatori di forze ●  Bosoni (spin intero)  Vengono da teorie di Gauge 7

Cosa manca? Il gravitone ●  La gravità non è compresa nel modello standard, non essendo la relatività generale compatibile con la meccanica quantistica L'unificazione delle 4 forze ● La materia oscura ● Particelle e altri fenomeni ● La massa dei neutrini ● La massa delle particelle ● 8

Va tutto bene? Alcuni problemi del Modello Standard ● I gluoni hanno carica di colore (sono soggetti alla forza forte) I bosoni W e Z hanno massa Higgs la risolve introducendo delle rotture spontanee di simmetria (locale) nel Modello ● Esistenza di un bosone che “origina” la massa dei bosoni Asimmetria tra il fotone (massless) e le particelle W  Spiega anche la massa dei fermioni (non quantitativamente) 9

Le simmetrie Trasformazioni che non cambiano la natura del modello ● C = coniugazione di carica (inverto + con -) P = parità (riflessione, inverto x con -x) T = inversione temporale (inversione della direzione del tempo) 1918: Teorema di Nöther: le simmetrie danno origine alle leggi di conservazione (massa, energia, momento angolare) ● La materia prevale sull'antimateria ● Dal 1956 sappiamo che ci sono fenomeni che violano alcune di queste simmetrie (o loro combinazioni) ● Le interazioni deboli ne violano diverse... 10

Higgs e le simmetrie Le simmetrie si mantengono ad alte energie (unificazione) e impediscono la presenza di massa ● A energie inferiori, spontaneamente le simmetrie si rompono (per giustificare alcuni dati sperimentali) ● Il bosone di Higgs è prova di queste “rotture spontanee” ● Simmetrie imperfette 11

Breve storia del lavoro di Higgs1 my life as a boson La rottura di simmetria è ben nota nella fisica della materia condensata ● Primo esempio: teoria del ferromagnetismo (Heisenberg 1928) Nella fisica delle particelle gli esempi più rilevanti sono la superconduttività e la superfluidità Superfluidità: rottura della simmetria in una transizione di fase di un condensato di Bose (Bogoliubov 1947)  Superconduttività: un condensato di Bose di particelle cariche spinless (Ginzburg-Landau 1950)  Nambu la applica anche alle particelle elementari e Goldstone introduce il potenziale “a sombrero” (1960) ● Teorema di Goldstone: quando una simmetria è rotta spontaneamente, compaiono particelle scalari senza massa né spin: dimostrato da Goldstone-Salam-Weinberg nel 1962 ● 12

Breve storia del lavoro di Higgs2 my life as a boson 1964 ● On PRL Klein & Lee mostrano che è possibile aggirare il teorema di Goldstone Higgs (in risposta a un articolo di Gilbert) scrive 2 “lettere ” al CERN Dimostra che è possibile aggirare il teorema di Goldstone  Ne trova una prova, utilizzando il campo di Maxwell (respinta)  Poi invia un articolo a PRL aggiungendo le conseguenze sperimentali dei suoi calcoli, cioè la presenza della particella Il referee (Nambu) fa presente un analogo articolo di Englert e Brout, che però non avevano fatto riferimento a una particella massiva  13

Il campo di Higgs ● Il vuoto sarebbe pieno di un condensato di particelle di Higgs Non dissimile dai campi legati agli altri bosoni... … se non fosse che non è mai nullo Le particelle (bosoni) lo attraversano continuamente ● Più le particelle interagiscono con il campo di Higgs, più rallentano, più si”dotano” di massa ● 14

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Simmetrie nel campo di Higgs Universo inizialmente simmetrico ● -11 10 secondi dopo il BB la simmetria locale si rompe ● Si mantiene la simmetria complessiva, ma viene “nascosta” ● Transizione di fase (con creazione del campo di Higgs), la cui prova è il Bosone ● 20

Identikit di una particella Dai calcoli ●  Si “accoppia” con le particelle pesanti Interazione proporzionale alla massa  No neutrini   Pur essendo diffuso, interagisce con pochissimo con le particelle che utilizziamo (elettroni): energia di interazione attesa oltre 200 GeV (vicino alla rottura di simmetria)  Massa attesa 115 – 165 GeV Dal 1989 al 2001 diversi esperimenti hanno ristretto il range delle possibili masse   Spin=0 Il meccanismo è completamente testabile, teoricamente ● Massa sperimentale 126 GeV (circa una base del DNA) ● 21

La particella di Dio... This boson is so central to the state of physics today, so crucial to our final understanding of the structure of matter, yet so elusive, that I have given it a nickname: the God Particle. Why God Particle? Two reasons. One, the publisher wouldn't let us call it the Goddamn Particle, though that might be a more appropriate title, given its villainous nature and the expense it is causing. And two, there is a connection, of sorts, to another book, a much older one... 22

Ma risolve i nostri problemi? “Fornisce” massa alle particelle ● Senza massa non c'è possibilità di interazione Spiega (con la rottura locale di simmetria) la massa dei bosoni W ● Completa il modello standard ● Nulla fa presagire nuove particelle o nuovi fenomeni 23

Ma ne restano diversi... Supersimmetrie ● Associazione tra bosoni e fermioni (molto massive) Dalla teoria: il campo di Higgs esiste in 2 stati, quello noto e in una forma “ultradensa” ● Una transizione di fase (simile a un effetto tunnel) potrebbe rendere instabile ogni forma di massa! Probabilità bassissima (1 su 10100 anni)  La massa del Bosone è ESATTAMENTE quella che serve per il modello  Il multiverso e l'angolo delle dune...  24

Cosa c'entrano le dune? Costante vicina al valore limite ● Massa di Higgs Ω 25

Come lo cerchiamo ? LHC @ CERN (ora in LS 1) ● ATLAS A Toroidal Lhc ApparatuS  CMS Compact Muon Solenoid  ALICE A Large Ion Collider Experiment  Ultimo risultato: 3 modi di decadimento del Bosone (26.11.2013) 26

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Bibliografia Weinberg S., The making of standard model, arXiv:hep-ph/0401010 ● Gamow G., Biografia della Fisica, Mondadori, Cap VIII ● Particle Physics Booklet, http://pdg.lbl.gov ● J. Beringer et al. (Particle Data Group), Phys. Rev. D 86, 010001 (2012) ● 29

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