Pions to quarks – Particle Physics in the 1950s (based on a

1. AIF Scuola Invernale 2005Castiglioncello, 1-6 dicembreNuclei e particelle: aspetti di storia della fisica “La fisica delle particelle intorno al 1960: come lavorare lontano dalle macchine e senza una teoria”

2. In realtà, il tentativo di tracciare un quadro sommario dello sviluppo della fisica delle particelle a cavallo fra gli anni 50 e 60. Con accenni alla situazione italiana. Pions to quarks – Particle Physics in the 1950s(based on a Fermilab symposium), eds. Laurie Brown, Max Dresden, Lillian Hoddeson, Cambridge University Press, 1989.

3. C. Bernardini, “AdA: the first electron-positron collider”, Physics in Perspective6, 156-183 (2004). S. Bergia, “!The way we were: bubble chamber pictures, pion-nucleon interactions and polology”, Foundations of Physics, Vol. 34, No. 11, November 2004, 1761-1776. S. Vecchi, “L’anello di accumulazione per elettroni e positroni <<Adone>> dei Laboratori nazionali di Frascati (1960-1972)”; tesi di laurea, Un. di Bologna, a.a. 2004-2005, relatore G.Dragoni, correlatori C. Bernardini, L. Bonolis, G. Battimelli. L. Bonolis, “Bruno Touschek vs machine builders: AdA, the first matter-antimatter collider”, preprint 2005. F. Scarpa, “Una rivoluzione mancata – Storia dei programmi della matrice S”, tesi di dottorato in fisica, Nov. 2004.

4. Un sommario: • Macchine e strumenti di rivelazione • Aspetti della divisione internazionale del lavoro di ricerca: la situazione italiana • Una netta separazione: interazioni deboli e interazioni forti • Qualche risultato sulle interazioni deboli • La fisica teorica e le interazioni forti. Pioni prima di tutto. La teoria dei campi dice qualcosa, ma non ci porta molto lontano • Modellizzare i fenomeni, per cominciare • La teoria dei campi ci dà le singolarità; al resto pensa l’analiticità della matrice S. Dalle relazioni di dispersione al bootstrap e alla scomparsa (provvisoria) del concetto di particella elementare: la storia di un programma perdente

5. Macchine e tecniche di rivelazione. 1951: a Chicago diventa operativo il sincrociclotrone da 450-MeV 1952: Donald Glaser e la camera a bolle Nei primi anni 50, alla Stanford University, si costruisce il primo acceleratore lineare di elettroni di alta energia (Mark III) . Nel novembre del 1953, esso raggiunse i 400 MeV, i 600 entro un paio d’anni e il GeV nel 1960 1953: diventa operativo il cosmotrone di Brookhaven (raggiunge i 3,3 GeV in gennaio) 1954 (autunno): inizio ufficiale delle attività del CERN

6. 1958: l’INFN aveva quasi completato la costruzione, presso i Laboratori Nazionali di Frascati, di un acceleratore, un elettrosincrotrone da 1100 MeV. Bruno Touschek propugnò, nel 1960, la costruzione, a Frascati, di un collisionatore elettrone-positrone. Fu chiamato AdA (acronimo di Anello di Accumulazione). In 1962 fu accettata la proposta francese di trasportare AdA a Orsay, per sfruttare il loro acceleratore lineare. AdA divenne operativo nel 1964. Fu seguito, a Frascati, da Adone, un collisionatore elettrone- positrone da 3000 MeV ideato da Fernando Amman negli anni 1961-1963.

7. Aspetti della divisione internazionale del lavoro di ricerca.La fisica fatta in casa. Nelle sedi universitarie – gli Istituti di Fisica – e presso le sezioni INFN, la fisica sperimentale era necessariamente di secondo livello.

8. Grazie alla reputazione conseguita dalla fisica italiana con l’opera di Fermi e del suo gruppo e con quella di Bruno Rossi a altri studiosi dei raggi cosmici, come Beppo Occhialini, e grazie alla mediazione di fisici attivi nel campo, come Giampietro Puppi, si ottenne che rotoli di fotogrammi presi alla camera a bolle di Brokhaven fossero inviati ad istituti e/o sezioni INFN italiani perché fossero analizzati, ricavandone dati, correlazioni ecc. , da gruppi di “lastristi” italiani convertiti alla nuova tecnica di rilevazione.

9. 30 YEARS OF BUBBLE CHAMBER PHYSICS Bologna, 18 March 2003, at the Bologna Academy of Sciences Aula Ulisse - Accademia delle Scienze dell’Istituto di Bologna via Zamboni 31- 40126 Bologna

10. Una netta separazione Le interazioni forti. L’interazione fondamentale era ritenuta quella pione-nucleone (Yukawa, 1935); il “mesotrone”; Conversi, Pancini e Piccioni; la scoperta del pione La ripresa dopo la guerra: a Chicago; Fermi e “la risonanza 33” Le interazioni deboli Le teoria di Fermi La non conservazione della parità

11. Qualche risultato sulle interazioni deboli La questione della non conservazione della parità fu sollevata dapprima in relazione ai decadimenti del K in due e tre pioni. Nel 1955 Lee e Yang suggerirono test da compiersi sul decadimento beta e sui decadimenti del pione e del mu. La prima conferma venne da un esperimento sul decadimento beta del Co60 condotto da Wu Chen Shung (M.me Wu) nel 1957. La scoperta della non conservazione della parità comportò modifiche alla teoria delle interazioni deboli, ma la concezione di un’interazione corrente-corrente rimase; solo che l’interazione divenne del tipo V-A (Feynman e Gell-Mann; Marshak e Sudarshan – 1958).

12. Un esempio di collaborazione fra le due sponde dell’Atlantico:

13. Una collaborazione con quattro futuri premi Nobel Glaser (1960) Jack Steinberger and M. Schwarz (1988), per un metodo di produzione di fasci di neutrini di alta energia che avrebbero permesso la scoperta del neutrino muonico M.L. Perl (1995; con F. Reines, scopritore del neutrino) per la scoperta del tau

14. Nel lavoro si studiava la correlazione tra la produzione (associata) di particelle strane costituendo i partners iperonici) e angoli di decadimento degli iperoni, in cui il primo gradino forniva una polarizzazione degli iperoni normale al piano di produzione. La violazione della conservazione della parità si riscontrerebbe come un’anisotropia nella distribuzione sull’angolo di decadimento rispetto all’asse di polarizzazione nel centro di massa dell’iperone. I risultati mostrarono “una statisticamente ben stabilita forte anisotropia per la Λ, dimostrando chiaramente la violazione della parità nel decadimento”.

15. La fisica teorica e le interazioni forti. L’attenzione maggiore cadeva tuttavia sulle interazioni forti, che a quell’epoca pareva voler dire primariamente interazioni pione-nucleone. Occorreva naturalmente prima di tutto raccogliere dei dati. Strumento di base: la teoria quantistica dei campi

16. Mesoni e campi Il trattato di Sylvan Schweber, Hans Bethe and Frederic de Hoffmann Mesons and Fields, pubblicato per la prima volta 1956, rispecchiava la situazione: era in due volumi, il primo, Fields , dedicato a un’introduzione dei concetti, strumenti, metodi e risultati della teoria quantistica dei campi, il secondo, Mesons, concepito con il fine di “fornire un resoconto degli esperimenti esistenti sui mesoni, prescindendo dalle tecniche sperimentali, ma includendo la loro interpretazione e interconnessione.” Ma il nesso fra le due parti non era stringente. Punto cruciale è che il metodo perturbativo non funzionava per le interazioni forti.

17. Le interazioni forti: un terreno da dissodare Per la costruzione di una teoria specifica delle interazioni forti, appariva comunque necessaria una fase preliminare di estesa analisi fenomenologica. Pions to quarks: anche – o soprattutto – un cambiamento di metodo?

18. Modellizzare i fenomeni, per cominciare. Una risonanza 3/2, 3/2 nella diffusione pione-nucleone era stata scoperta dal gruppo di Fermi al sincrociclotrone di Chicago. Valeva la pena di vedere che succedeva ad energie più alte, in particolare per quanto riguardava le sezioni d’urto differenziali elastiche; ed anche di controllare se la risonanza 33 poteva giocare qualche ruolo nei processi di produzione. In articoli del 1957 e 1958 Lindenbaum e Sternheimer avevano prospettato la possibilità che essa potesse in effetti svolgerlo come gradino intermedio dei processi di produzione singola di pioni in collisioni pione-nucleone.

19. Il “modello isobarico” π π π 3,3 N N

20. Altri esempi di collaborazione transatlantica: Nel 1957 i film di camera a bolle erano stati saccheggiati del loro materiale più prezioso. Ma c’era ancora qualcosa a cui guardare. Un gruppo misto Bologna-Trieste, guidato peraltro dall’argentino Pedro Waloschek, cui si aggiunse Leo Lavatelli, dell’Università dell’Illinois a Urbana, selezionò gli eventi di diffusione elastica pione-nucleone e ne misurò la sezione d’urto differenziale a 915 MeV. Lo stesso gruppo, a ranghi più ristretti, studiò, su altri film, i processi di produzione singola, al fine di controllare la validità del modello isobarico. Gli spettri dei pioni al centro di massa avrebbero dovuto mostrare un picco e una spalla, rispettivamente a momenti più e meno alti, il picco derivante da eventi in cui il pione era prodotto “direttamente” prodotto in coppia con la risonanza (pioni-extra), la spalla dovuta a pioni di decadimento. I risultati si mostrarono in buon accordo col modello.

21. Non varrebbe la pena di menzionare queste ricerche piuttosto marginali se non fosse per questi motivi: 1) Si tratta di esempi della ricerca sulle interazioni forti che si conduceva in quei tempi. 2) La risonanza 33 poneva un problema interpretativo: si poteva (o forse doveva) considerarla una particella? Una particella che era prodotta nelle collisioni pione-nucleone e poi decadeva appunto in una coppia pione-nucleone? Certo che a decadere ci metteva secondi. Ma questo andava imputato al fatto che del era responsabile l’interazione forte anziché la debole. E non si dovrebbe fare una differenza concettuale fra le due. 3) Ci fu uno sviluppo di una qualche rilevanza.

22. Il modello periferico e l’interazione pione-pione Il modello isobarico non poteva costituire la fine della storia, perché prendeva solo in esame l’aspetto dell’interazione nello stato finale, lasciando completamente inesplorato quello dell’interazione responsabile per la produzione Bonsignori e Selleri (1958): il picco di diffrazione nella diffusione elastica protone-protone e pione-protone dà per il raggio del nucleone un valore prossimo a quello della lunghezza d’onda Compton del pione. Questo suggerisce fortemente “che l’interazione responsabile per l’assorbimento della particella incidente abbia luogo con la nuvola pionica del nucleone bersaglio”. Ma con quanti pioni? Considerazioni fenomenologiche (nello stile di Mesons) e semi-teoriche (nello stile di Fields) suggerivano fortemente che questo numero dovesse essere prossimo a uno.

23. Ma, gli autori ricordavano, si sarebbero dovute valutare “tutte le possibili correzioni di vertice e di self-energia del pione intermedio”. Ora, c’è un polo nel piano complesso del momento trasferito …

24. Con metrica 1, -1, -1 , -1, t è <0. Ma invividua il quadrato dell’energia totale al centro di massa per il processo di collisione fra protone e antiprotone; secondo la teoria dei campi, dati i diagrammi, questo processo ha, in questa variabile, un polo per il valore Questo polo, per quanto appena detto, è esterno alla regione fisica del processo di collisione pione-nucleone (o protone-protone), ma vi farà sentire la sua influenza ...

25. Illustrazione dell’idea primitiva della “polologia” t 0

26. Gli autori si rifacevano a una formula ottenuta da Chew e Low, valida quando i valori di t si accostavano al valore del quadrato della massa del pione. L’uso della formula nella regione fisica, cioè per valori negativi del momento trasferito, comportava trascurare le correzioni per i vertici e il propagatore. Si poteva giustificare sulla base della considerazione che il punto in questione era molto vicino alla regione fisica. Un modello? O un’approssimazione (“rigorosa”) a una teoria (in fieri)? L’uso del risultato di Chew and Low nella regione fisica aveva “esattamente la stessa giustificazione teorica del trascurare i diagrammi con più di un pione scambiato”.

27. La matrice S: storia di un programma perdente Si tratterà di basarsi basarsi sui concetti basilari della teoria dei campi, ma non sui suoi tipici procedimenti di calcolo. Quei concetti andranno invece di volta in volta utilizzati nell’ambito di formalismi derivabili da principi generali. Sono individuabili alcune tappe: • Le relazioni di dispersione • La rappresentazione di Mandelstam • Il “bootstrap” • I poli di Regge Nel corso di questo processo prenderà corpo la convinzione che non vi siano particelle più elementari di altre (“democrazia particellare”). Molti autori hanno contribuito a questa scuola, ma un indubbio ruolo di guida deve essere attribuito a Geoffrey Chew.

28. Geoffrey Chew

29. ... e il suo programma Un paio d’anni dopo l’uscita del trattato di Schweber, Bethe e de Hoffmann, Chew scriveva: “Credo che l’associazione tradizionale di campi alle particelle fortemente interagenti sia vuota”. Egli esprimeva così quella che era diventata una profonda convinzione personale, ma anche quello che era diventato un sentire diffuso. Chew riconosceva che “l’apparato dei campi era stato enormemente utile nella scoperta di principi di simmetria, particolarmente riguardo alla coniugazione di carica. Una seconda area dove la teoria dei campi aveva giocato un ruolo storico cruciale era nella continuazione analitica della matrice S; la nozione di microcausalità e dei diagrammi di Feynman era stata inestimabile in questo contesto”. Nei processi di diffusione

30. Tuttavia la sua impressione era “che finalmente avessimo alla nostra portata tutte le proprietà della matrice S che potrebbero essere dedottedalla teoria dei campie che lo sviluppo futuro di una comprensione delle interazioni forti sarebbe facilitato se eliminassimo dal nostro pensiero nozioni proprie della teoria dei campi come lagrangiane, masse ‘nude’, costanti ‘nude’ d’accoppiamento, e fino la nozione di ‘particelle elementari’. “Io credo – concludeva – che nel futuro dovremmo lavorare interamente entro lo schema della matrice S analiticamente continuata.” [1] Geoffrey F. Chew, S-Matrix Theory of Strong Interactions, A Lecture Note and Reprint Volume, W. A. Benjamin, New York, 1961, page 1 of Chapter 1.

31. Le relazioni di dispersione J.D. Jackson, “Introduction to dispersion relations techniques”, in: Dispersion Relations, Scottish Universities Summer Schol, 1960 Oliver and Boyd, 1961

32. Un po’ di storia R. Kronig, H. A. Kramers (1926-27): teoria classica della dispersione della luce; la r.d.s. segue da ipotesi di analiticità sull’indice di rifrazione come funzione della frequenza complessa, collegabili al requisito della causalità (velocità limite). Vari autori (ca. 1946-1950): causalità e altre condizioni potrebbero essere imposte alla matrice S e limitare la sua forma. Gell-Mann, Goldberger e Thirring (1954): prova quanto-meccanica di relazioni di dispersione per diffusione in avanti della luce basata sulla condizione di microcausalità. Vari autori (Goldberger, Lehmann-Symanzik-Zimmermann, ... Chew-Goldberger-Low-Nambu (1955/1957): estensione a particelle massive - diffusione in avanti e non; in particolare alla diffusione pione-nucleone.

33. Le relazioni di dispersione nell’ottica classica In ottica classica vale la relazione dove α(ω) è il coefficiente di assorbimento. Se la funzione n(ω) è olomorfa nell’intero piano complesso eccettuato un taglio sull’asse reale positivo, vale la relazione di dispersione di Kronig -Kramers dove P indica la parte principale.

34. In questo contesto si preferisce avere a che fare con l’ampiezza di diffusione f(ω)in avanti piuttosto che con l’indice di rifrazione. Il legame fra le due quantità è il seguente: (N indica il numero di centri diffusori per unità di volume) Similmente, il coefficiente di assorbimento è legato all’indice di rifrazione attraverso il cosiddetto “teorema ottico”:

35. Utilizzando le ultime due relazioni si perviene alla: Questo risultato vale in realtà solo se la diffusione avviene su particelle legate, per le quali Re f(ω) è effettivamente 0. Più in generale, vale la che si può anche riscrivere:

36. Le relazioni di dispersione per la diffusione pione-nucleone Qui le cose si complicano notevolmente per tener conto di spin e spin isotopico. La variabile significativa diventa l’energia. Per semplicità continuo a riferirmi alla: Emerge un aspetto: quello della correlazione fra insiemi diversi di dati (ampiezza per la diffusione elastica a una data energia – andamento complessivo della sezione d’urto totale con l’energia).

37. L’emergere di discrepanze poteva implicare un ripensamento circa le condizioni imposte alla matrice S o un riesame dei dati “The Puppi-Stanghellini discrepancy” (N.C 5, 1305, 1957). Un aggiornamento del controllo (gruppo Waloschek, N.C. 15, 551, 1960): nuovi dati sulle sezioni d’urto totali e misura dell’ampiezza in avanti a 915 MeV.

38. Le relazioni di dispersione e la struttura del nucleone Nei primi anni 50, Robert Hofstadter, alla Stanford University, concepisce l’idea di studiare la struttura dei nuclei atomici utilizzando i fasci di elettroni prodotti dalla macchina Mark III. L’idea ha il suo remoto ascendente in Rutherford. Forse non è un caso che i primi esperimenti fossero condotti proprio su oro, l’elemento che Rutherford aveva utilizzato come bersaglio delle sue particelle alfa negli esperimenti che comprovarono la struttura nucleare dell’atomo. Essi mostrarono forti deviazioni dalla distribuzione attesa per elettroni diffusi da un nucleo puntiforme, e indicarono che il nucleo aveva un raggio finito e misurabile. Si fecero poi misure su nuclei d’idrogeno (in polietilene), che mostrarono che anche il protone aveva una struttura.

39. Robert Hofstadter, Premio Nobel per la fisica nel 1961 (con Rudolf Mössbauer)

40. “La spiegazione più naturale dell’estensione spaziale osservata è che essa derivi dalla ‘nuvola’ pionica che circonda il nucleone […] Ora, se anche il pione ha una struttura, saranno corrispondentemente dilatate le dimensione del nucleone. Perciò è necessario conoscere la struttura del pione prima di poter predire quella del nucleone.” W.R. Frazer, “The electromagnetic structure of pions and nucleons”, in: Dispersion relations, op. cit.

41. La stuttura del pione K’ γ q k

42. Il contributo del diagramma è proporzionale a: con Il vertice π π γ ha la forma: prende il nome di fattore di forma del pione.

43. mentre è Nella regione della diffusione è per il processo dato che per esso rappresenta il quadrato dell’energia totale al centro di massa. Il fattore di forma del pione è una funzione analitica nell’intero piano complesso di t, fatta eccezione per un taglio lungo l’asse reale per t>,=4. Applicando il teorema di Cauchy alla funzione si ottiene

44. Ora, per , l’interazione scritta inizialmente, riscritta nella descrive il processo forma e è parte determinante della relativa ampiezza. Ora, come stadi intermedi di quella reazione, possono intervenire vari stati, limitati solo dalle condizioni di avere carica, numero barionico e stranezza nulli. Per quanto riguarda stati di pioni, la cosiddetta G-parità dice che possono avere solo un numero pari di pioni. Nella regione possono contribuire solo stati di due pioni.

45. La G-parità è una combinazione della coniugazione di carica e di una rotazione di πrad attorno al secondo asse dello spazio dell’isospin. Dato che la coniugazione di carica e l’isospin sono conservati dalle interazioni forti, così deve essere per G.

46. I fattori di forma del nucleone La diffusione di elettroni su protoni è descritta dal grafico La corrente nucleonica si può scrivere nella forma generale In essa intervengono dunque due fattori di forma, rispettivamente legati alla distribuzione della carica e del momento magnetico.

47. Una corrente neutronica, implicata nella descrizione della diffusione di elettroni da parte di deutoni richiedeva a sua volta due fattori di forma Le espressioni per le due correnti si possono combinare nella: dove M è la massa del nucleone, e

48. La struttura del nucleone è dunque descritta da quattro fattori di forma, uno isoscalare e uno isovettoriale sia per la distribuzione di carica sia per quella di momento magnetico. La separazione dei termini isoscalare e isovettoriale è fondamentale, perché, per la G-parità, solo stati intermedi con un numero pari (risp. dispari) di pioni possono contribuire agli integrali dispersivi relativi ai fattori di forma isovettoriali (risp. isoscalari). Ora, per quanto riguarda i primi, non cambia sostanzialmente nulla rispetto al caso della struttura del pione.

49. W. R. Fraser, J. R. Fulco, Phys. Rev. Letters, 2, 365 (1959). Sperimentalmente, i fattori di forma isovettoriali variavano fortemente (calavano) con il momento trasferito. Questo comportamento escludeva che Im F potesse avere un comportamento di tipo a, e indicava invececon forza un comportamento di tipo b. Questo, a sua volta, inplicava che il sistema pione-pione presentasse una risonanza in prossimità della soglia: Le r.d.d., in quanto condizioni di autoconsistenza, potevano dunque fornire previsioni.

50. Frazer e Fulco scrivevano esplicitamente che le loro considerazioni si limitavano ai fattori di forma isovettoriali, e che non avevano nulla da dire su quelli isoscalari. A mia conoscenza, fu Sergio Fubini la prima persona a suggerire che il comportamento sperimentale dei fattori di forma isoscalari richiedevano a loro volta un contributo piccato a Im F . Dunque, nei sistemi di tre pioni con T=0, J=1 doveva esistere una risonanza ... o uno stato legato se S. Fubini, S. Bergia, A. Stanghellini, C.Villi, “Electromagnetic form factors of the nucleon and pion-pion interaction”, Phys. Rev. Letters, 6, 367 (1961).