Fisica al Large Hadron Collider del CERN

1. Fisica al Large Hadron Collider del CERN Sergio Patricelli Università di Napoli “Federico II” Sezione INFN Napoli

2. Sommario • Il Large Hadron Collider (LHC) • Che cosa è • Come funziona • La fisica al Large Hadron Collider • Il Modello Standard • Questioni aperte • L’esperimento ATLAS • Come si misura all’LHC S. Patricelli - La Fisica al Large Hadron Collider

3. Luce l 10-6 m Particelle l h/p Il Large Hadron Collider (LHC)Che cosa è ? • Il Large Hadron Collider rappresenta l’ultima tappa di una storia iniziata in Italia (a Frascati) quando, nel 1961, entrò in funzione il primo anello di accumulazione per elettroni AdA. • La ricerca dei costituenti ultimi della materia ha richiesto, nei decenni successivi, lo sviluppo di acceleratori sempre più grandi e potenti. • Per avere l piccolo è necessario aumentare p (la quantità di moto) e quindi l’energia delle particelle. S. Patricelli - La Fisica al Large Hadron Collider

4. E = 1 TeV = 1012 eV E = 1 eV e- Cavità a RF Il Large Hadron Collider (LHC)Come si accelerano i protoni • Il Large Hadron Collider sarà ospitato nello stesso tunnel sotterraneo che fino al 2001 ha ospitato il LEP, l’anello di accumulazione e+e- che ha permesso di verificare con estrema precisione la validità del Modello Standard. • Si inserisce nella complessa rete di acceleratori esistenti al Cern e permetterà di far collidere protoni ad una energia di 7 + 7 TeV. S. Patricelli - La Fisica al Large Hadron Collider

5. Il Large Hadron Collider (LHC)I magneti superconduttori • Per curvare i protoni durante il processo di accelerazione è necessario utilizzare campi magnetici. Fissato il raggio dell’acceleratore, maggiore è l’energia del protone, più intenso deve essere il campo magnetico. • Al LHC i campi magnetici sono ottenuti utilizzando elettromagneti in cui viene fatta circolare corrente e, per ottenere i campi magnetici necessari. si è dovuto ricorrere all’uso di magneti superconduttori. • Ciò implica che per tutta la lunghezza della circonferenza dell’acceleratore (27 km) il sistema dei magneti dovrà essere mantenuto ad una temperatura di 1,9° Kelvin (300° al disotto della temperatura ambiente e più bassa di quella esistente nello spazio cosmico). • La produzione dei 7000 km di cavo superconduttore (Nb-Ti-Cu) per la costruzione dei magneti di LHC ha assorbito tutta la produzione mondiale per due anni. • LHC è il più grande impianto criogenico mai costruito. S. Patricelli - La Fisica al Large Hadron Collider

6. 3.600 pacchetti di protoni 1011 protoni/pacchetto incrocio pacchetti ogni 25 x 10-9 secondi 109 collisioni protone-protone al secondo Il Large Hadron Collider (LHC)La luminosità • La probabilità di produrre nuove particelle nella collisione tra due protoni è misurata da un parametro che prende il nome di Sezione d’urto. • Le Sezioni d’urto dei processi che si vogliono studiare ad LHC sono molto piccole e, per aumentare la probabilità di osservarli è necessario che il numero di collisioni per unità di tempo sia il più alto possibile. Questo parametro è la Luminosità dell’acceleratore. Collisioni che producono processi di interesse: 10 -100 al secondo Collisioni che producono processi rari di enorme interesse: 1 al giorno S. Patricelli - La Fisica al Large Hadron Collider

7. Quark Leptoni Il Modello StandardI costituenti elementari • Le ricerche in fisica delle particelle elementari degli ultimi decenni hanno permesso di avere un quadro molto semplice e soddisfacente dei costituenti elementari: il Modello Standard. • Secondo il Modello Standard i costituenti elementari di tutto l’Universo sono 12 raggruppati in 3 famiglie ciascuna delle quali contiene 2 Quark e 2 Leptoni. • Con i membri della prima famiglia (la più leggera) è possibile costruire tutta la materia stabile esistente nell’Universo . • I membri delle altre famiglie hanno svolto un ruolo importante nella fase di formazione dell’Universo e vengono oggi prodotte con gli acceleratori. S. Patricelli - La Fisica al Large Hadron Collider

8. Gravitazionale Elettrodebole Forte Interazione Portatore Massa g (fotone) Elettromagnetica 0 W+,W-, Z Debole 81-91 GeV/c2 Forte g (gluone) 0 Il Modello StandardLe forze fondamentali • I costituenti elementari si legano tra loro attraverso 4 interazioni fondamentali (quelle che comunemente chiamiamo forze). • Le interazioni tra i costituenti elementari avvengono attraverso lo scambio di portatori di forze. Ciascuna delle forze fondamentali ha un proprio portatore. • L’unificazione della forza elettromagnetiche con quella debole in un’unica teoria è uno dei maggiori successi in fisica degli ultimi due decenni. S. Patricelli - La Fisica al Large Hadron Collider

9. Il Modello StandardQuestioni aperte – Il bosone di Higgs • Perché le particelle elementari (costituenti e portatori di forze) hanno masse così diverse tra di loro? • Da cosa ha origine la loro massa? • Il Modello Standard prevede che le particelle acquistino la loro massa attraverso il “meccanismo di Higgs”, a seguito della loro interazione con un nuovo campo “il campo di Higgs” che deve manifestarsi con il suo portatore “il bosone di Higgs”. • Il “problema” è che la dimostrazione sperimentale dell’esistenza del bosone di Higgs non è ancora stata ancora data. • La prova sperimentale dell’esistenza del bosone di Higgs è l’obbiettivo principale della sperimentazione ad LHC. Il Modello Standard pone dei vincoli abbastanza precisi su quale dovrebbe essere la massa di questa particella, ma gli sperimentali sono pronti anche alle sorprese …. S. Patricelli - La Fisica al Large Hadron Collider

10. Il Modello StandardQuestioni aperte – Il meccanismo di Higgs Il meccanismo di Higgs Il bosone di Higgs D. Miller Univ. College London S. Patricelli - La Fisica al Large Hadron Collider

11. LHC Il Modello StandardQuestioni aperte - GUT • I risultati sperimentali mostrano che l’intensità delle forze varia con l’energia in gioco e che ad una certa energia la forza forte dovrebbe avere la stessa intensità di quella elettrodebole. Ciò permetterebbe di formulare una Teoria di Grande Unificazione (GUT) che include anche la forza forte. • Purtroppo l’energia alla quale l’intensità di tutte le forze diventa eguale è circa 1012 volte più alta di quella raggiungibile da qualsiasi acceleratore realizzabile. • Le teorie di Grande Unificazione prevedono però anche delle conseguenze verificabili sperimentalmente anche alle energie più basse. • Una delle possibili manifestazioni di una GUT è l’esistenza di partner “supersimmetrici” per ognuna delle particelle elementari del Modello Standard (SuSy). • LHC permetterà di verificare se le particelle supersimmetriche esistono o meno. S. Patricelli - La Fisica al Large Hadron Collider

12. Il Modello StandardQuestioni aperte – La materia oscura • Lo studio degli effetti gravitazionali delle galassie mostra che, oltre alla materia “visibile” (che emette radiazioni elettromagnetiche), deve esistere una grande quantità di materia oscura. Ad esempio alcune stelle si muovono molto più velocemente di quanto dovrebbero se fossero soggette solo alla forza gravitazionale dovuta alle altre stelle visibili. • Si stima che la materia oscura rappresenti una parte cospicua della massa totale dell’Universo e la sua costituzione ad oggi è sconosciuta. • E’ possibile che essa sia formata da una miscela di vari componenti (neutrini, polvere, gas freddo e particelle supersimmetriche). • I risultati del LHC potranno aiutare a gettare maggior luce su questo problema. S. Patricelli - La Fisica al Large Hadron Collider

13. Il Modello StandardQuestioni aperte – L’antimateria • I risultati ottenuti con l’acceleratore che ha preceduto LHC al Cern (LEP) permettono di affermare con certezza che le famiglie di costituenti elementari non sono più di 3. Le domande che i fisici si pongono sono: • Perché solo tre famiglie? • Perché la materia stabile dell’Universo è costituita solo da componenti della prima famiglia? • Questi quesiti sono strettamente legati ad un altro “puzzle”: che fine ha fatto l’antimateria? • Negli esperimenti di fisica agli acceleratori materia ed antimateria sono sempre create in quantità eguali. La stessa cosa deve essere avvenuta al momento del Big Bang. Perché allora non c’è stata una completa annichilazione di materia ed antimateria che ha lasciato posto ad un Universo di sola energia? • L’ipotesi più accreditata è che ci sia stata una piccola ma significativa asimmetria tra materia ed antimateria nelle prime fasi dell’Universo quando i componenti della seconda e terza famiglia erano presenti in abbondanza. • In effetti la violazione di CP (come questa asimmetria si chiama) è stata osservata in sistemi di materia-antimateria costituiti da quark della seconda famiglia. • LHC potrà chiarire se tale effetto esiste anche in sistemi della terza famiglia. S. Patricelli - La Fisica al Large Hadron Collider

14. Il Modello StandardL’imprevisto ….. • L’esperienza passata mostra che molto spesso, quando si esplorano nuove regioni di energia, vengono rivelati fenomeni inattesi che permettono al quadro teorico esistente di progredire sensibilmente. • Verso la fine degli anni 60, l’entrata in funzione di Adone presso i laboratori di Frascati dell’INFN, permise di osservare per la prima volta una abbondante produzione di adroni (particelle soggette alla forza forte) in interazioni e-e+ (tipicamente elettromagnetiche). • Nel 1974 l’inattesa scoperta di una nuova particella (J/) rappresentò la prima conferma sperimentale del 4° quark (charm) in quanto a quei tempi ne erano noti solo 3 (up, down, strange). S. Patricelli - La Fisica al Large Hadron Collider

15. L’esperimento ATLASCome si studia ciò che LHC produce • Lo studio dei prodotti delle collisioni tra protoni è affidato a apparati sperimentali molto complessi che sono frutto della collaborazione di molti gruppi di ricercatori. S. Patricelli - La Fisica al Large Hadron Collider

16. L’esperimento ATLASLa collaborazione internazionale • Il progetto ATLAS è frutto di una vasta collaborazione internazionale che coinvolge: • 35 nazioni • 161 Università e Istituti di ricerca • 1830 fisici e ingegneri • L’apparato sperimentale è organizzato in sottosistemi. Dopo una fase progettuale comune le varie parti dei sottosistemi vengono costruite nelle Università o centri di ricerca per essere poi assemblate ed integrate al CERN. • Lo sforzo organizzativo per permettere ad una così vasta collaborazione di funzionare è molto grande ma è anche molto gratificante raggiungere risultati molto ambiziosi. S. Patricelli - La Fisica al Large Hadron Collider

17. www.cern.ch Una parentesi ilWWW al CERN • La necessità di lavorare in grandi collaborazioni tra i fisici delle alte energie ha dato un risultato molto importante verso la fine degli anni 80. • Nel 1989, per facilitare lo scambio di informazioni scientifiche Tim Berners-Lee, un ricercatore del CERN ideò il World Wide Web, sicuramente una delle invenzioni con maggior impatto sociale negli ultimi decenni. • Già nel 1991 le Università che collaboravano con il Cern avevano dei programmi per navigare sul Web. Poi …. è arrivato Bill Gates ….. S. Patricelli - La Fisica al Large Hadron Collider

18. Un evento a LHC L’esperimento ATLASGli eventi • Una collisione protone-protone genera un “evento”. Con questo termine si intende una configurazione di particelle stabili o con una vita abbastanza lunga da permettere di essere rivelata dall’apparato sperimentale. • Le particelle prodotte che non hanno vita abbastanza lunga decadono con un processo a catena fino a lasciare solo particelle stabili. • Utilizzando principi di validità del tutto generale in fisica come la conservazione dell’energia e della quantità di moto, è possibile risalire alle masse delle particelle decadute ed a ricostruire completamente lo stato prodotto dalla collisione. S. Patricelli - La Fisica al Large Hadron Collider

19. L’esperimento ATLASGli eventi per la ricerca del bosone di Higgs S. Patricelli - La Fisica al Large Hadron Collider

20. L’esperimento ATLASLa struttura del rivelatore • L’apparato sperimentale ha una struttura a “cipolla” che copre quasi totalmente l’angolo solido intorno al punto di interazione. Ciò è necessario affinché nessuno dei prodotti della interazione sfugga alla rivelazione. • Le dimensioni dell’apparato, che è attualmente in avanzata fase di installazione a 90 metri sotto il livello del suolo sono ragguardevoli: 22 x 46 metri 7.000 tonnellate S. Patricelli - La Fisica al Large Hadron Collider

21. L’esperimento ATLASLa struttura del rivelatore • Nella struttura a “cipolla” ciascuno degli strati ha un compito specifico nella rivelazione e misura delle proprietà dei prodotti finali (carica, energia, quantità di moto) S. Patricelli - La Fisica al Large Hadron Collider

22. L’esperimento ATLASIl trigger (ovvero la ricerca dell’ago nel pagliaio) • Ricordiamo che LHC fornirà circa 109 interazioni protone-protone al secondo e che gli eventi di interesse fisico sono dell’ordine di 10-100 al secondo. • I rivelatori che misurano i prodotti delle interazioni devono essere in grado di selezionare in tempo reale gli eventi “buoni” da registrare per le analisi successive. • Ciò significa solo un evento su 10 milioni è “buono” e la decisione deve essere presa in alcune decine di milionesimi di secondo. S. Patricelli - La Fisica al Large Hadron Collider

23. L’esperimento ATLASL’analisi dei dati • Tutte le informazioni fornite dai rivelatori sono fornite in forma elettronica, ossia in forma digitale, per essere successivamente elaborate. • La quantità di dati da analizzare è enorme: 12 – 14 Peta Bytes (1015 bytes)  20 Milioni di CD per ogni anno di presa dati •  70.000 dei più veloci processori oggi disponibili sul mercato per l’analisi dei dati S. Patricelli - La Fisica al Large Hadron Collider

24. L’esperimento ATLASIl progetto LCG (LHC Computing Grid) • L’impossibilità di poter disporre in un unico sito dei mezzi di calcolo necessari ad analizzare i dati che verranno prodotti ad LHC e la necessità di rendere i dati disponibili a tutta la comunità di fisici che hanno contribuito alla costruzione degli esperimenti, ha spinto il CERN ad intraprendere una nuova sfida nel campo informatico che potrebbe avere sulla società lo stesso impatto avuto con il Web : il progetto LCG (LHC Computing Grid). • Per comprendere gli scopi del progetto si può usare l’analogia con la rete elettrica. Gli utenti della rete elettrica possiedono delle interfacce (prese elettriche) che permettono di utilizzare un servizio senza alcuna conoscenza su dove quel servizio viene reso disponibile. Le centrali elettriche lavorano “in sintonia” e distribuiscono energia. S. Patricelli - La Fisica al Large Hadron Collider

25. L’esperimento ATLASIl progetto LCG (LHC Computing Grid) • Il World Wide Web permette oggi a chiunque di accedere facilmente alle informazioni conservate su computer sparsi in tutto il mondo. • Con la Griglia Computazionale (Computing Grid) sarà possibile accedere in modo altrettanto semplice alle risorse di calcolo sparse in tutto il mondo. In questo modo i fisici potranno far girare i loro programmi di analisi seduti alla loro scrivania ed utilizzando i computer distribuiti della Griglia liberi al momento della loro richiesta. • L’interesse per queste applicazioni è altissimo e molti altri partner scientifici ed industriali si sono aggregati alla comunità di Fisica delle Particelle Elementari (progetto EGEE della Comunità Europea) S. Patricelli - La Fisica al Large Hadron Collider

26. L’esperimento ATLASLo stato attuale S. Patricelli - La Fisica al Large Hadron Collider

27. ConclusioneIl futuro • Il Large Hadron Collider entrerà in funzione nel 2007. La comunità scientifica è già attivamente al lavoro per apportare miglioramenti sia all’acceleratore (maggiore energia?, maggiore luminosità?) che agli esperimenti da rendere operativi dopo alcuni anni di funzionamento. • La fisica al LHC monopolizzerà l’attenzione dei ricercatori in fisica delle particelle elementari per i prossimi 20 anni. E dopo? • Sicuramente il LHC sarà l’ultimo acceleratore per protoni ma la storia continua ….. • Sono già in corso da molti anni attività di ricerca e sviluppo per realizzare un International Linear Collider per elettroni. La collaborazione per la costruzione di un tale acceleratore dovrà necessariamente coinvolgere tutte le nazioni del mondo. S. Patricelli - La Fisica al Large Hadron Collider

28. Riferimenti biliografici • AA.VV., • CD-ROM “Quark, verso l’infinitamente piccolo”, • dal periodico Interactive Explora, Anno III n 12, • Ed. ADMEDIA, 1998, Roma • Giovanni Falcone, Pietro Pantano • CD-ROM “Scoprire la Fisica”, vol. 11: Fisica Moderna • Edizioni Master, 1998, Milano • Siti web e link ivi contenuti: • http://www.cern.ch • http://www.infn.it • http://www.atlas.ch • Video “The ATLAS Experiment”, CERN, 2001 • Video “INFN, Nascita e primi passi”, 2001 • Opuscoli divulgativi a cura del CERN e dell’INFN • Steven Weinberg • “La scoperta delle particelle subatomiche”, • Zanichelli 1986, Bologna • Leon M. lederman, David N. Schramm • “Dai quark al cosmo”, • Zanichelli 1991, Bologna • Stephen Hawking • CD-ROM “Dal big bang ai buchi neri”, • Rizzoli Newton Muiltimedia, 1997, Milano • David Filkin • “L’Universo di Stephen Hawking”, • DeAgostini, 1998, Novara • Franco Foresta Martin, “Dall’Atomo al Cosmo” • Editoriale Scienza, 2002, Trieste S. Patricelli - La Fisica al Large Hadron Collider