L'origine della massa e il bosone di Higgs. Massimo Casarsa Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Sezione di Trieste

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1 L'origine della massa e il bosone di Higgs Massimo Casarsa Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Sezione di Trieste Trieste Next settembre 2012

2 Scaletta ➊ Parte I: breve introduzione sul Modello Standard delle particelle elementari; Parte II: il bosone di Higgs e la massa delle particelle elementari; Parte III: rivelazione sperimentale del bosone di Higgs. 2

3 Parte I Il Modello Standard delle particelle elementari

4 Di che cos'è fatta la materia? [cm] ~1 ~10 7 ~10 8 ~10 12 ~10 13 Fondamentalmente la materia ordinaria è costituita da: quark up e quark down, che formano i protoni e i neutroni; elettroni. I costituenti della materia sono tenuti assieme da due forze: interazione elettromagnetica: atomi molecole e cristalli; interazione nucleare forte: protoni e neutroni nuclei atomici. 4

5 In realtà la Natura è più complessa 12 particelle elementari DUE FAMIGLIE u d e e t c s b I II III TRE GENERAZIONI 5

6 Interazioni fondamentali Le interazioni tra le particelle elementari avvengono attraverso lo scambio di particelle mediatrici della forza. 4 interazioni fondamentali: intensità relativa 1 ~ 0.01 ~ mediatori della forza gluone fotone bosoni W e Z ~10 38 gravitone (?) 6

7 Il Modello Standard Modello Standard: teoria che descrive in modo consistente e organico le particelle elementari e le interazioni tra di esse. NB: Gli effetti della gravità sulle particelle elementari sono trascurabili. 7

8 E la massa a che punto entra? Il Modello Standard non spiega le masse delle particelle. È un dato sperimentale, però, che in Natura le particelle elementari hanno massa e masse sensibilmente diverse! u e g non hanno massa e e d s τ c b W Z t PROTONE Deve essere introdotto nella teori un meccanismo ad hoc che conferisca la massa alle particelle elementari: il campo di Higgs. 8

9 Il campo e il bosone di Higgs Illustration by Moonrunner Design Ltd., National Geographic Parte II

10 Che cos'è la massa? Il concetto di massa è evoluto nel tempo di pari passo con l'approfondimento della conoscenza della Natura. Meccanica classica (I. Newton, 1687): massa = quantità di materia Meccanica relativistica (A. Einstein, 1905): massa = energia Per noi oggi la massa è una proprietà intrinseca delle particelle: massa = energia di una particella a riposo 10

11 Il campo di Higgs Link al video. 11

12 Alcuni caveat sul video Le particelle più massive non sono più grandi di quelle meno massive. W t Le particelle elementari non sono come palline. Le particelle che viaggiano alla velocità della luce non fischiano. I muoni non sono scivolosi. I protoni di LHC non fanno quando collidono. 12

13 Una precisazione importante Il campo di Higgs conferisce massa solo ai costituenti della materia (quark e leptoni) e alle particelle mediatrici della forza nucleare debole (W e Z). Le masse dei quarks up e down contribuiscono solo a ~1% della massa di protoni e neutroni: quarks gluoni PROTONE NEUTRONE ~99% della massa di protoni e neutroni è dovuta all'energia associata ai quark e gluoni costituenti: m = E/c2. 13

14 Parte III Rivelazione sperimetale del bosone di Higgs

15 Come si cerca un bosone di Higgs? Perché ci son voluti 50 anni per trovarlo? Essendo molto massivo, serve molta energia per creare un bosone di Higgs in laboratorio: LHC produce ~20000 Higgs/settimana (assieme a ~ quark t, ~10 milioni di W, 300 miliardi di quark b, ); il Tevatron di Fermilab ne produceva 60/settimana; I bosoni di Higgs non sono rivelabili direttamente: sono instabili e si disintegrano in altre particelle ( decadono ) appena prodotti: in due b, due W, due Z, due τ, due fotoni, ; devono perciò essere ricostruiti a partire dalle particelle figlie rivelate; devono essere riconosciuti in mezzo a tutte le altre particelle prodotte nelle collisioni. 15

16 Cosa succede dentro LHC? Link al video. 16

17 Higgs due fotoni γ H γ Due fotoni molto energetici sono facili da identificare nel rivelatore, ma solo 2/1000 dei bosoni di Higgs prodotti decadono in due fotoni: prodotti 40/settimana, ricostruiti

18 Un candidato H due fotoni fotone fotone 18

19 Higgs due Z Z H μ μ Z Anche elettroni e muoni di alta energia si identificano facilmente, ma solo 1/10000 dei bosoni di Higgs producono quattro muoni o elettroni: e e prodotti 8/mese, ricostruiti 3. 19

20 Un candidato H ZZ μμμμ muone (μ) muone (μ) muone (μ) muone (μ) 20

21 Conclusioni La scoperta del bosone di Higgs aggiunge un altro tassello alla nostra comprensione dell'universo, ma restano ancora molte domande in attesa di risposta. Ad esempio: La nuova particella scoperta al CERN in luglio è il bosone di Higgs del Modello Standard? Le 12 particelle del Modello Standard sono veramente fondamentali? Perché ci sono tre generazioni di particelle? Ce ne sono solo tre? Perché le forze fondamentali hanno l'intensità che hanno? Come includere l'interazione gravitazionale in una teoria organica assieme alle altre tre interazioni fondamentali? Che fine ha fatto l'antimateria che fu creata nel Big Bang assieme alla materia? Di che cosa è fatto il 96% dell'universo? Che cosa sono la materia e l'energia oscure? 21