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Oreste Nicrosini
1m
1-10µ = 1-10×10-6m
2-3×10-9m=2-3nm
1-10Å=1-10×10-10m
10-15m=1fm
elettrone: J.J. Thompson (1897)
nucleo: E. Rutherford (1911)
neutrone: J. Chadwick (1932)
“Radiografia” del protone: SLAC (1969)
M. Gell-Mann, K. Nishijima
Y. Ne’eman, G. Zweig
R. Feynman, J. Bjorken
J.I. Friedman, H.W. Kendall, R.E. Taylor
1/2 MeV
1 GeV
Teoria della Relatività (ristretta)
  Le eq. di Maxwell contengono c
(velocità della luce nel vuoto)
  Sono covarianti per trasformazioni
di Lorentz (TL)
  La meccanica è covariante per
trasformazioni di Galileo (TG)
  TL  TG per velocità piccole
rispetto a c
  Einstein: “corregge” meccanica in
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Conseguenze:
  c = velocità limite
  Relatività della simultaneità
  Dilatazione dei tempi
  Contrazione delle lunghezze
  E=mc2
Meccanica quantistica
  Spettro di corpo nero, effetto
fotoelettrico, effetto Compton,
spettri atomici…: non è possibile
spiegare esperimenti con fisica
classica (meccanica ed
elettromagnetismo)
  Ipotesi di De Broglie: λ=h/p
  Heisenberg: Δx Δp ≈ h
  Equazione di Scrödinger: permette
di determinare l’onda associata
alle particelle
Il quadro concettuale
 Forza di gravità
 Forza elettromagnetica
 Forza nucleare forte
 Forza nucleare debole
  Studiata da I. Newton
  Attrattiva, riguarda masse
  A lungo raggio d’azione
  Meccanica terrestre (peso) e celeste
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I. Newton (1643-1727)
  Oggi descritta da Relatività Generale
(A. Einstein)
  Gravità=deformazione spazio-tempo*
A. Einstein (1879-1955)
Relatività Generale (1916)
*Orologi in campo
gravitazionale rallentano
  Molti padri (Coulomb, Faraday, Volta,
Ampere, Biot, Savart, Herz… Maxwell )
  Riguarda cariche elettriche
A. Volta (1745-1827)
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  A lungo raggio d’azione
  È responsabile della gran parte
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  Fe/FG ≈ 1036 (protoni)
  Descritta da elettrodinamica quantistica (QED, fotoni)
  Esistono le antiparticelle (positrone)
  Lega protoni e neutroni a formare i nuclei (residuale,
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  Lega i quark (via gluoni) a formare protone e neutrone
(più in generale barioni e mesoni, detti adroni)
  Corto raggio d’azione (≤10-15m=fm)
  Descritta da Cromodinamica Quantistica (QCD)
  quark e gluoni “confinati” all’interno degli adroni, dove
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  Quantum Chromo Dynamics
calcolabile “a mano” solo in particolari
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  Confinamento e “frammentazione”
“Italiano uno dei supercomputer più
potenti al mondo”
Newton, 24 gennaio 2005
N. Cabibbo
Progetto INFN, in collaborazione con
DESY Zeuthen e Université Paris-Sud 11
  Responsabile della “trasformazione” di particelle
  Corto raggio di azione (≤10-15m=fm)
  Neutrini
  Combustione del sole (e delle stelle)
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  Composizione cosmici
Oreste Nicrosini
Oreste Nicrosini
 Oggi unificata a elettrodinamica nella
“Teoria dell’Unificazione Elettrodebole”
S.L. Glashow, A. Salam, S. Weinberg
C. Rubbia, S. van der Meer
Bosoni W e Z (≈100 GeV)
CERN, UA1&UA2, 1984
 Necessario per generare le masse
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 Vuoto carico: massa dovuta a
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CAMPO DI HIGGS
Per spiegare come mai
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il fisico Peter Higgs
nel 1960 ha ipotizzato
l'esistenza del bosone
di Higgs.
Il bosone di Higgs
è la particella che dà
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Ciò avviene quando queste
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Provare l'esistenza
dell'Higgs è uno degli
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di LHC, in particolare
degli esperimenti ATLAS
e CMS.
Alla ricerca della particella che dà la massa alla materia
•  M2
H = 2 λ v2
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•  Grande MH  higgs, W e Z
fortemente interagenti
Effetti quantistici: MH assume in modo “naturale”
la massa di “nuova fisica”  fine tuning, gerarchia
Tree level
One loop
+ analogo con g
 Teoria quantistica relativistica di campo
 Descrive in modo unificato forze
elettromagnetica, debole e forte (campi di
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 Non include gravità
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 Grande unificazione?
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elementari)
 Grande unificazione?
 Masse e oscillazioni di
neutrini
 Materia oscura(!)
 Energia oscura(!!)
  Scalari compositi
  Supersimmetria
  Teorie Grandunificate
  Dimensioni extra
  Teoria di stringa
 Origine della massa (il bosone di Higgs)
 Esiste la supersimmetria?
…O una nuova forza fondamentale? E la grandunificazione?
Viviamo su una membrana 4-dim? Tracce di stringhe?…
 La materia oscura può essere prodotta in
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 Quali sono le proprietà del plasma di quark e
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 Ma forse: c’è qualcosa di
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Galileo Galilei (1564-1642)


  Uno dei maggiori centri mondiali di
ricerca scientifica
  Ricerca sui costituenti
fondamentali della materia e sulle
loro interazioni
  20 stati membri, aperto a scienziati
di tutto il mondo
  Correnti deboli neutre; W e Z;
antimateria; oscillazioni di neutrini
  Numerosi premi Nobel
Oreste Nicrosini
  109 eventi al secondo
  Energia 7x Tevatron at FNAL: 14 TeV
  3000 km di cavi (ATLAS)
  1 TB/s dati registrati
  Temperatura 1.9 Ko (il sistema criogenico più grande
del mondo)
  Circa 5000 fisici coinvolti
  6 esperimenti: ATLAS, CMS, ALICE, LHCb, TOTEM,
LHCf
Oreste Nicrosini
ATLAS Experiment © 2012 CERN
Oreste Nicrosini
[GeV]HM
100 120 140 160 180 200
HiggsBR+TotalUncert
-3
10
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10
1
LHCHIGGSXSWG2011
bb
cc
gg
Z
WW
ZZ
[GeV]HM
100 200 300 400 500 1000
HiggsBR+TotalUncert
-3
10
-2
10
-1
10
1
LHCHIGGSXSWG2011
bb
cc
ttgg
Z
WW
ZZ
CERN Yellow Report 2012-002
MW = MW(α, Gµ, MZ, …, mt, MH) via correzioni radiative
Oreste Nicrosini - INFN&UNIPV
Oreste Nicrosini
We’ve passed some milestones, but the
end of the road is not in sight
(F. Wilczek, Nobel Laurate, “Origins
of Mass”, arXiv:1206.7114, 29 June
2012)
Oreste Nicrosini
Positron Emission Tomography (PET)
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  Ricostruzione immagine
Betatronoterapia (radioterapia)
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CNAO: Centro Nazionale Adroterapia Oncologica
  Primo Centro in Italia, Pavia
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  Cura di tumori localizzati mediante
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  Pazienti volontari da 10.2011
Ion Beam Analysis (IBA)
  Per I beni culturali (analisi non invasive)
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Accelerator Mass Spectrometry (AMS)
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Ciascun satellite trasmette continuamente:
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  Tempo (a bordo) al quale informazioni sono trasmesse
(xi, yi, zi, ti)
  Il ricevitore risolve (per almeno 4 satelliti):
  1 µs  300 m (!)
Correzioni relativistiche:
  + 45.900 ns/day GR anticipo complessivo: ≈ 40 µs/day
  -- 7.200 ns/day SR 9.192.631.770
  ARPANET, progetto del Ministero Difesa USA
  Definizione di TCP/IP
  HTTP nel 1989 da T. Berners-Lee
  Concepito e sviluppato per consentire scambio
informazioni tra scienziati di tutto il mondo
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Oreste Nicrosini

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Oreste Nicrosini

  • 4. 1-10Å=1-10×10-10m 10-15m=1fm elettrone: J.J. Thompson (1897) nucleo: E. Rutherford (1911) neutrone: J. Chadwick (1932) “Radiografia” del protone: SLAC (1969) M. Gell-Mann, K. Nishijima Y. Ne’eman, G. Zweig R. Feynman, J. Bjorken J.I. Friedman, H.W. Kendall, R.E. Taylor 1/2 MeV 1 GeV
  • 5. Teoria della Relatività (ristretta)   Le eq. di Maxwell contengono c (velocità della luce nel vuoto)   Sono covarianti per trasformazioni di Lorentz (TL)   La meccanica è covariante per trasformazioni di Galileo (TG)   TL  TG per velocità piccole rispetto a c   Einstein: “corregge” meccanica in modo che sia covariante per TL Conseguenze:   c = velocità limite   Relatività della simultaneità   Dilatazione dei tempi   Contrazione delle lunghezze   E=mc2 Meccanica quantistica   Spettro di corpo nero, effetto fotoelettrico, effetto Compton, spettri atomici…: non è possibile spiegare esperimenti con fisica classica (meccanica ed elettromagnetismo)   Ipotesi di De Broglie: λ=h/p   Heisenberg: Δx Δp ≈ h   Equazione di Scrödinger: permette di determinare l’onda associata alle particelle Il quadro concettuale
  • 6.  Forza di gravità  Forza elettromagnetica  Forza nucleare forte  Forza nucleare debole
  • 7.   Studiata da I. Newton   Attrattiva, riguarda masse   A lungo raggio d’azione   Meccanica terrestre (peso) e celeste (orbite) I. Newton (1643-1727)
  • 8.   Oggi descritta da Relatività Generale (A. Einstein)   Gravità=deformazione spazio-tempo* A. Einstein (1879-1955) Relatività Generale (1916) *Orologi in campo gravitazionale rallentano
  • 9.   Molti padri (Coulomb, Faraday, Volta, Ampere, Biot, Savart, Herz… Maxwell )   Riguarda cariche elettriche A. Volta (1745-1827) J.C. Maxwell (1831-1879)   A lungo raggio d’azione   È responsabile della gran parte dei fenomeni della vita di tutti i giorni   Fe/FG ≈ 1036 (protoni)
  • 10.   Descritta da elettrodinamica quantistica (QED, fotoni)   Esistono le antiparticelle (positrone)
  • 11.   Lega protoni e neutroni a formare i nuclei (residuale, mesoni)   Lega i quark (via gluoni) a formare protone e neutrone (più in generale barioni e mesoni, detti adroni)   Corto raggio d’azione (≤10-15m=fm)   Descritta da Cromodinamica Quantistica (QCD)   quark e gluoni “confinati” all’interno degli adroni, dove sono liberi D.J. Gross, H.D. Politzer, F. Wilczek
  • 12.   Quantum Chromo Dynamics calcolabile “a mano” solo in particolari situazioni; in generale necessarie simulazioni numeriche   Confinamento e “frammentazione”
  • 13. “Italiano uno dei supercomputer più potenti al mondo” Newton, 24 gennaio 2005 N. Cabibbo Progetto INFN, in collaborazione con DESY Zeuthen e Université Paris-Sud 11
  • 14.   Responsabile della “trasformazione” di particelle   Corto raggio di azione (≤10-15m=fm)   Neutrini   Combustione del sole (e delle stelle) per fusione nucleare   Composizione cosmici
  • 17.  Oggi unificata a elettrodinamica nella “Teoria dell’Unificazione Elettrodebole” S.L. Glashow, A. Salam, S. Weinberg C. Rubbia, S. van der Meer Bosoni W e Z (≈100 GeV) CERN, UA1&UA2, 1984
  • 18.  Necessario per generare le masse delle particelle elementari  Vuoto carico: massa dovuta a “viscosità” (rottura spontanea della simmetria) P. Higgs
  • 19. Come funziona il campo di Higgs Fonte: Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Il campo permea tutto l’universo. Le particelle che lo attraversano avvertono ognuna una resistenza diversa. Questa resistenza è quella che chiamiamo massa Particelle di massa media (muoni, ecc.) Particelle di grande massa (quark top, ecc.) Particelle di massa piccolissima o zero (fotoni, elettroni, ecc.) CAMPO DI HIGGS Per spiegare come mai la materia abbia massa, il fisico Peter Higgs nel 1960 ha ipotizzato l'esistenza del bosone di Higgs. Il bosone di Higgs è la particella che dà la massa a tutte le altre. Ciò avviene quando queste interagiscono col campo prodotto dall'Higgs. Provare l'esistenza dell'Higgs è uno degli obiettivi principali di LHC, in particolare degli esperimenti ATLAS e CMS. Alla ricerca della particella che dà la massa alla materia
  • 20. •  M2 H = 2 λ v2 •  λ = intensità autoaccoppiamento •  Grande MH  higgs, W e Z fortemente interagenti Effetti quantistici: MH assume in modo “naturale” la massa di “nuova fisica”  fine tuning, gerarchia Tree level One loop + analogo con g
  • 21.  Teoria quantistica relativistica di campo  Descrive in modo unificato forze elettromagnetica, debole e forte (campi di Yang-Mills non abeliani) Relatività Meccanica quantistica
  • 22.   Particelle “materia” e particelle “forza” (+ relative antiparticelle)   Tre famiglie (?), il nostro mondo fatto della prima (e un po’ di seconda) Dimensione particelle < 10-19m
  • 24.  Non include gravità  Naturalezza/gerarchia (presenza di scalari elementari)  Grande unificazione?  Masse e oscillazioni di neutrini
  • 25.  Non include gravità  Naturalezza/gerarchia (presenza di scalari elementari)  Grande unificazione?  Masse e oscillazioni di neutrini  Materia oscura(!)  Energia oscura(!!)
  • 26.   Scalari compositi   Supersimmetria   Teorie Grandunificate   Dimensioni extra   Teoria di stringa
  • 27.  Origine della massa (il bosone di Higgs)  Esiste la supersimmetria? …O una nuova forza fondamentale? E la grandunificazione? Viviamo su una membrana 4-dim? Tracce di stringhe?…  La materia oscura può essere prodotta in laboratorio? (neutralini)  Quali sono le proprietà del plasma di quark e gluoni?
  • 28.  Ma forse: c’è qualcosa di completamente inatteso?
  • 29. “Sensate esperienze” “Certe dimostrazioni” “Il gran libro della natura è scritto in caratteri matematici” Galileo Galilei (1564-1642)  
  • 30.   Uno dei maggiori centri mondiali di ricerca scientifica   Ricerca sui costituenti fondamentali della materia e sulle loro interazioni   20 stati membri, aperto a scienziati di tutto il mondo   Correnti deboli neutre; W e Z; antimateria; oscillazioni di neutrini   Numerosi premi Nobel
  • 32.   109 eventi al secondo   Energia 7x Tevatron at FNAL: 14 TeV   3000 km di cavi (ATLAS)   1 TB/s dati registrati   Temperatura 1.9 Ko (il sistema criogenico più grande del mondo)   Circa 5000 fisici coinvolti   6 esperimenti: ATLAS, CMS, ALICE, LHCb, TOTEM, LHCf
  • 34. ATLAS Experiment © 2012 CERN
  • 36. [GeV]HM 100 120 140 160 180 200 HiggsBR+TotalUncert -3 10 -2 10 -1 10 1 LHCHIGGSXSWG2011 bb cc gg Z WW ZZ [GeV]HM 100 200 300 400 500 1000 HiggsBR+TotalUncert -3 10 -2 10 -1 10 1 LHCHIGGSXSWG2011 bb cc ttgg Z WW ZZ CERN Yellow Report 2012-002
  • 37. MW = MW(α, Gµ, MZ, …, mt, MH) via correzioni radiative
  • 38. Oreste Nicrosini - INFN&UNIPV
  • 40. We’ve passed some milestones, but the end of the road is not in sight (F. Wilczek, Nobel Laurate, “Origins of Mass”, arXiv:1206.7114, 29 June 2012)
  • 42. Positron Emission Tomography (PET)   Produzione di radionuclidi a breve emivita (ciclotrone)   Somministrazione (p.e. iniezione) zuccheri “drogati”   Rilevazione di γγ da annichilazione e+e-   Ricostruzione immagine Betatronoterapia (radioterapia)   Elettroni accelerati in betatrone   Produzione di raggi X o γ penetranti   Cura di tumori profondi
  • 43. CNAO: Centro Nazionale Adroterapia Oncologica   Primo Centro in Italia, Pavia (quarto al mondo dopo USA, D, J)   Fondazione CNAO, U. Amaldi   Cura di tumori localizzati mediante fasci di protoni e ioni carbonio   Pazienti volontari da 10.2011
  • 44. Ion Beam Analysis (IBA)   Per I beni culturali (analisi non invasive)   Per l’ambiente (ng/m3) Accelerator Mass Spectrometry (AMS)   Analisi al radiocarbonio
  • 45. Ciascun satellite trasmette continuamente:   Informazioni orbitali (sua posizione, effemeridi)   Tempo (a bordo) al quale informazioni sono trasmesse (xi, yi, zi, ti)   Il ricevitore risolve (per almeno 4 satelliti):   1 µs  300 m (!) Correzioni relativistiche:   + 45.900 ns/day GR anticipo complessivo: ≈ 40 µs/day   -- 7.200 ns/day SR 9.192.631.770
  • 46.   ARPANET, progetto del Ministero Difesa USA   Definizione di TCP/IP   HTTP nel 1989 da T. Berners-Lee   Concepito e sviluppato per consentire scambio informazioni tra scienziati di tutto il mondo   Rivoluzione tecnologica e sociale   Uno dei motori dello sviluppo economico Tim Berners-Lee (2009)