Symmetries of the Universe, from the discovery of antimatter to LHC Paolo Berra Short info. An exciting story about the discoveries of the modern physics, a time travel to discover the origins of the most recent theories about the antimatter, the origin of the Universe and the unified laws that govern it. The personal anecdotes about the greatest scientists tell us a story that goes from the infinitely small of the elementary particles to the interstellar travels, exploring the vastness of the Universe, and give to the book an original and charming approach. The book reveals, in a simple way, the secrets of the current experiments with large particle accelerators, like the Large Hadron Collider LHC at CERN in Geneva. The studies on the asymmetry between matter and antimatter in the Universe, the recent discovery of the Higgs boson, the creation of antimatter atoms in the laboratory are just some of the fascinating challenges for the physics of the new millennium.

1. SimmetrieSimmetrie
dell’Universodell’Universo
dalla scoperta dell’antimateria a LHCdalla scoperta dell’antimateria a LHC
PaoloPaolo BerraBerra

3. Di cosa parleremo oggi?
Il LargeIl LargeIl LargeIl Large HadronHadronHadronHadron Collider,Collider,Collider,Collider,
CERNCERNCERNCERN

4. IIII rilevatoririlevatoririlevatoririlevatori deldeldeldel
LargeLargeLargeLarge HadronHadronHadronHadron Collider, CERNCollider, CERNCollider, CERNCollider, CERN
Di cosa parleremo oggi?

5. Di cosa parleremo oggi?
IlIlIlIl SincrotroneSincrotroneSincrotroneSincrotrone perperperper AdronterapiaAdronterapiaAdronterapiaAdronterapia
OncologicaOncologicaOncologicaOncologica del CNAOdel CNAOdel CNAOdel CNAO

6. QUESTA SERA PARLEREMO DI ANTIMATERIA, DELLA FISICA DELLE PARTICELLE, DEI SUOI PRINCIPI
FONDAMENTALI E DELLE MACCHINE NECESSARIE PER COMPIERE QUESTI STUDI:
GLI ACCELERATORI DI PARTICELLE.

7. 1905: Relatività Ristretta ↔ velocità prossime a quella della luce
Albert Einstein:
1) Non esiste sistema inerziale preferenziale
2) Velocità della luce sempre costante
Conseguenze:
- dilatazione del tempo, contrazione dello spazio
- Le leggi fisiche devono ‘sembrare le stesse’ in diversi sistemi di
riferimento inerziali
- Le coordinate spazio-temporali sono da trattare in modo uguale
NEL 1905 ALBERT EINSTEIN ARRIVÒ AD
ESPRIMERE L’EQUIVALENZA TRA MASSA ED
ENERGIA

8. 1913-1926: Fisica Quantistica
necessaria per studiare il mondo degli atomi
1913 (Bohr) Quantizzazione delle orbite degli elettroni negli atomi
ψψ
∂
∂ 2
2
m2t
i ∇−=
h
h1926 (Schrödinger) Equazione d’onda non relativistica
1923 (de Broglie) Le particelle possiedono proprietà ondulatorie
∆p⋅∆x≥h1925 (Heisenberg) Principio d’indeterminazione del micromondo
PARTICELLE
DESCRITTE DA
AMPIEZZA DI
PROBABILITÀ Y(X)

9. DIRAC HA PROVATO AD UNIFICARE LA RELATIVITÀ CON LA MECCANICA
QUANTISTICA
Equazione lineare di Dirac dell’elettrone:
Provò anche Schrödinger … E2
= p2
+ m2
→ −h2 ∂2
∂t2
ψ =−h2
∇2
ψ + m2
ψ
… ma non risolse il problema della “energia negativa”
22
mpE +±=
→ La soluzione dell’equazione di Dirac ha 4 componenti
















↓
↑
↓
↑
≈
−
+
+
spinE
spinE
spinE
spinE
-
DiracψDue stati di spin corrispondono a un elettrone
con energia positiva e due ad un elettrone con
energia negativa, il positrone
DIRAC HA SCOPERTO DA UN PUNTO DI VISTA TEORICO L’ANTIMATERIA

10. SCOPERTA DEL POSITRONE (1932)
Anderson
LA SCOPERTA DELL’ANTIPROTONE
A BERKELEY (1955)
Segrè,
Chamberlein
SCOPERTA DELL’ANTINEUTRONE E DEGLI ANTINUCLEI
• Berkeley, 1956: Scoperta dell’antineutrone (Cork et al)
• CERN, 1965: Scoperta dell’ anti-deuterio (Zichichi et al)

11. Materia ed Energia nella Fisica Moderna
Einstein, per primo, comprese l’equivalenza tra massa ed energia
• Quando materia e antimateria si
scontrano, si annichilano in energia
• L’energia si può anche materializzare
in coppie particella-antiparticella
QUESTO È QUELLO CHE È ACCADUTO NEL BIG BANG DURANTE L’ORIGINE
DELL’UNIVERSO E CIO’ CHE ACCADE OGNI GIORNO
NEGLI ACCELERATORI DI PARTICELLE

12. Relatività ristretta+ meccanica quantistica:
una visione moderna dell’Universo visibile
Le forze e le particelle elementari, o meglio i campi quantistici che le rappresentano,
sono classificabili in due categorie: i bosoni e i fermioni.
Fermioni → Materia
Bosoni → Radiazione o Forze
– Forza elettromagnetica – Fotone γ
– Forza forte - Gluone g– Forza forte - Gluone g
– Forza debole – Bosoni W± and Z
– Forza gravitazionale - Gravitone

13. Un semplice esempio della forza elettromagnetica
(forza di Coulomb) “mediata” da un fotone γ

14. L’Universo allo specchio
LE PARTICELLE DEL “MODELLO STANDARD”
A ciascuna particella
fondamentale corrisponde
un’anti-particella
IL MODELLO STANDARD SI FONDA SUI
PRINCIPI DI SIMMETRIA DELLA TEORIA
QUANTISTICA DEI CAMPI
(RELATIVITA’ + MECCANICA QUANTISTICA)

15. Simmetrie della Materia: C, P e T
C = coniugazione di carica: particella → antiparticella
P = parità (riflessione speculare): x → -x
+
e-
-
e+
Simmetria
a specchio CP
C E P, INSIEME, PORTANO ALLA TRASFORMAZIONE DI
MATERIA IN ANTIMATERIA
T = inversione temporale: t → -t
Energia
e-
e+
Energia
e-
e+
→→→→
MATERIA IN ANTIMATERIA
La simmetria globale CPT PARTICELLE E ANTIPARTICELLE HANNO ESATTAMENTE
LA STESSA MASSA, LO STESSO TEMPO DI VITA MEDIO
, MOMENTO MAGNETICO…Ecc.
Bob
Cahn

16. Materia conosciuta 5%
Energia Oscura 72%
Dov’e’finita l’antimateria nell’Universo?
Antimateria: 0% !!
Materia Oscura 23%

17. Dobbiamo capire come si è evoluto l’Universo dopo la sua nascita
BIG BANG
1) L’UNIVERSO SI È ORIGINATO SIMMETRICO?
2) DOVE È FINITA L’ANTIMATERIA?
OGGI
13,7 miliardi di anni

18. La teoria del Big Bang rispetta presumibilmente la simmetria... al contrario
dell’Universo attuale che risulta asimmetrico: esso consiste infatti in modo
preponderante di nuclei ed elettroni. Questo fatto non sarebbe possibile senza la
violazione delle simmetrie CP e T, per le quali noi oggi, di fatto, esistiamo. E perciò
importante ricercare le origini delle violazioni CP e T nelle leggi della Natura.
Tsung Dao Lee
-Forte violazione delle simmetrie C e CP
-Non conservazione del numero barionico CONDIZIONI
Bob Cahn
-Non conservazione del numero barionico
- Condizioni di non equilibrio
CONDIZIONI
DI SAKHAROV
(1967)
BIG
BANG
OGGI
13,7 miliardi di anni

19. • La violazione della simmetira CP è necessaria per spiegare
l’abbondanza di materia rispetto all’antimateria, partendo dalla teoria
del Big Bang che ha creato l’Universo,
• L’antimateria esiste e può essere creata nei laboratori di fisica, ma
nell’Universo esiste poca antimateria,
Dov’e’finita l’antimateria nell’Universo?
• La violazione della simmetria CP è stata verificata sperimentalmente,
ma l’intensità della violazione non è sufficiente per spiegare
l’asimmetria a livello cosmologico!,
• Si pensa possa esistere una violazione della simmetria più intensa,
presente nelle nuove teorie oltre il Modello Standard.

20. Il mistero della mancanza di
antimateria nell’Universo rimane ad
oggi un problema irrisolto

21. BIG BANG
Le osservazioni astronomiche ci aiutano a capire come si è evoluto
l’Universo nel tempo.
OGGI
Lo scopo è quello di: 1) confermare sperimentalmente il Modello
Standard (Bosone di Higgs) e 2) verificare l’esistenza di modelli teorici
oltre il Modello Standard (asimmetria materia-antimateria, materia
oscura, dimensioni extra)
I FISICI PERÒ RIESCONO OGGI A RICREARE IN LABORATORIO LE CONDIZIONI SIMILI A
QUELLE DELL’UNIVERSO PRIMORDIALE GRAZIE AGLI ACCELERATORI DI PARTICELLE.

22. PERCHÉ FACCIAMO URTARE CON GLI ACCELERATORI
LE PARTICELLE AD ALTE ENERGIE?
1) Alta energia= alto potere di penetrazione per scandagliare i minimi dettagli
(λ=h/E → E α 1/dimensione), (“Gli acceleratori di particelle sono dei potentissimi
microscopi”)
2) Si possono produrre e studiare in laboratorio nuove particelle, più pesanti rispetto a
quelle più comuni; particelle che esistevano nei primi istanti di vita dell’Universo e che
sono sparite dall’Universo vecchio e freddo che ci circonda oggi (E = mc2) (“Gli
Quando due fasci, per esempio di protoni ad alte
energie, entrano in collisione generano, in uno spazio
minuscolo, temperature più di un miliardo di volte
superiori a quelle che regnano al centro del Sole.
sono sparite dall’Universo vecchio e freddo che ci circonda oggi (E = mc2) (“Gli
acceleratori di particelle sono dei potentissimi telescopi”)
3) Ci permette di portare la materia ad altissime energie (E= kT), portandoci “indietro
nel tempo” ai primi istanti di vita dell’Universo (“Gli acceleratori di particelle sono
una specie di macchina del tempo”).

23. Quando due fasci, per esempio di protoni ad alte
energie, entrano in collisione generano, in uno spazio
minuscolo, temperature più di un miliardo di volte
superiori a quelle che regnano al centro del Sole.
PERCHÉ FACCIAMO URTARE CON GLI ACCELERATORI
LE PARTICELLE AD ALTE ENERGIE?

24. Gli acceleratori di particelle possono
trasformarsi in potenti macchine del tempo
Facendo urtare le particelle, le une contro le altre, si possono ricreare in
laboratorio le stesse condizioni presenti nell’Universo primordiale. Si possono
produrre quindi le particelle presenti pochi istanti dopo il Big Bang. Studiare le
collisioni ad alta energia è come fare un viaggio all’indietro nel tempo !!

25. Gli acceleratori di Particelle
CIRCOLARI
• Ciclotroni
• Sincrotroni
LINEARI
• Acceleraori lineari
Utilizzano campi elettrici e magnetici per accelerare,
curvare e focalizzare fasci di particelle.
GLI ACCELERATORI DI PARTICELLE SONO GLI STRUMENTI USATI
PER PENETRARE I SEGRETI DELLA MATERIA.

26. Ciclotroni Sincrotroni
Fascio di particelle
1930 Ernest Lawrence
inventa il ciclotrone
Magneti deflettori
Cavità RF acceleratrice

27. Gli acceleratori lineari

28. Methodology

29. MethodologyCERN- Ginevra
ORGANIZZAZIONE EUROPEA PER LE RICERCHE NUCLEARI
10.000 scienziati da tutto il Mondo

30. Il LargeIl LargeIl LargeIl Large HadronHadronHadronHadron Collider,Collider,Collider,Collider,
CERNCERNCERNCERN
LHC è un acceleratore lungo 27 km capace di
accelerare , in direzioni opposte, fasci di
protoni fino a 14 TeV nel centro di massa
(energia disponibile per le collisioni).
Per accelerare questi fasci di protoni si ha
bisogno di un vuoto «ultra spinto» e di campi
magnetici così intensi da dover utilizzare la
superconduttività magnetica.

31. Complessi rivelatori grandi come palazzi ...
Per selezionare e registrare i segnali prodotti dai 600
milioni di collisioni al secondo, gli scienziati costruiscono
degli apparecchi giganteschi che studiano le particelle
con una precisione straordinaria.

32. MethodologySIMULAZIONE DI UNA COLLISIONE TRA PROTONI
Diverse migliaia di miliardi di protoni lanciati a 99,9999991% della
velocità della luce fanno il giro dell’anello di 27 km più di 11000
volte al secondo.

33. L’esperimento ATLAS del CERN
Per capire la complessità di un’avventura scientifica
La caverna (-100 m) giugno 2003

41. La caverna (100 m sotto terra) Ottobre 2005

42. LA SCOPERTA DEL BOSONE DI HIGGS AL CERN
Le collisioni all’interno di LHC raggiungono
energie sufficienti per produrre i bosoni di
Higgs. Previsto fin dal 1964, è stato scoperto
al CERN nel 2012. Nobel 2013 per la fisica.

43. I teorici spesso pensano di essere i creatori della fisica attraverso
le loro teorie, gli sperimentali spesso pensano, con i loro
rivelatori, di essere gli scopritori o gli inventori della fisica, gli
ingegneri degli acceleratori di particelle spesso pensano che
tutto sia possibile solo attraverso le loro apparecchiature, ed
ognuno pensa che le altre categorie esistono solo come loro
supporto.supporto.
Un fisico sperimentale del progetto CMS presso il CERN

44. Studi attuali sull’antimateria al CERN
Tutte le Teorie Quantistiche dei Campi si basano sul Teorema CPT
Tuttavia, la prova del teorema CPT è basato sulle assunzioni di: 1)
particella puntiforme, 2) spazio-tempo piatto a 4 dimensioni → queste
assunzioni non sono necessariamente valide alla scala di Planck
Parecchi modelli teorici speculano sulla violazione della simmetria CPT
E’ IMPORTANTE STUDIARE LA VALIDITÀ DELLA SIMMETRIA CPT
→ STUDI SULL’ANTIMATERIA FREDDA PRODOTTA IN LABORATORIO

45. 1) Studi sugli
antiatomi di idrogeno
Il principio di equivalenza è
testato sulla materia ordinaria,
NO sull’antimateria
2) Gravità e antimateria
Speculazioni sull’antigravità
NO sull’antimateria
↔ NON sono mai stati fatti
esperimenti sulla gravitazione
dell’antimateria

46. Come si crea un antiatomo di idrogeno al CERN
DeDe AcceleratoreAcceleratore ADAD
p- Produzione (GeV)
NaNa--2222
e+ Produzione (MeV)
Si catturano e si “mischiano”
pacchetti di antiprotoni p- e
positroni e+
Formazione di antiatomi di
idrogeno
Rallentamento (MeV)
Cattura (keV)
Raffreddamento (meV)
e Produzione (MeV)
Rallentamento
Accumulazione (eV)
108 e+104 p-
Si misura, infine, l’annichilazione
dell’antiatomo di idrogeno

47. Esperimento ATHENA per la creazione dei
primi antiatomi freddi di idrogeno
Rilevazione dell’antiatomo d’idrogeno,
ATHENA experiment, CERN

48. La fisica delle particelle e la medicina
Gli acceleratori ed i rivelatori di particelle, sviluppati essenzialmente
per la fisica fondamentale, sono alla base di molte applicazioni
d’avanguardia, specialmente in campo medico
• Rivelatori => Diagnostica Avanzata
• Acceleratori (Ciclotroni, Sincrotroni e Lineari) => Servono a produrre• Acceleratori (Ciclotroni, Sincrotroni e Lineari) => Servono a produrre
gli Isotopi per la Diagnostica Avanzata e vengono impiegati in Radio-
Terapia
La fisica medica si basa sull’uso delle radiazioni, che rilasciano
energia nei tessuti attraversati, distruggendo le cellule tumorali.

49. 1897
Scoperta dei
raggi X
Wilhelm Conrad
Röntgen
La nascita della fisica medica
Un’immagine a raggi X è in realtà
un’ombra

50. PETCT
Quello che riusciamo a fare oggi:
PET/CT scanner (Morfologia + Metabolismo)

52. Tomografia ad emissione
di positroni (PET)
Risoluzione spaziale: ~ 5 mm
Tempo per scannerizzare l’intero
organo: ~ 5 min

53. PET : qualche esempio
18FDG/PET18FDG/PET
LaLa cocainacocaina ha unha un effettoeffetto depressivodepressivo sulsul metabolismometabolismo deldel cervellocervello

54. Normal Subject
PET: qualche esempio
Parkinson’s disease
Courtesy HSR MILANO

55. Gli Acceleratori e la Radioterapia
Gli acceleratori di particelle vengono impiegati :
• Per produrre gli isotopi necessari alle PET•
• Per accelerare le particelle necessarie alla radio-
terapia (raggi X, elettroni o adroni)

57. gli adroni sono
fatti di quarks
elettrone “e”
Adroterapia: si usano fasci di neutroni,
protoni e ioni Carbonio
Ione carbonio =
6 protoni + 6 neutroni
atomo
Protone o
neutrone
quark “u” , “d”

58. The icon of radiation therapy with
charged hadrons
58 58

59. L’ADROTERAPIA E IL PICCO DI BRAGG
Gli adroni carichi riescono a depositare energia nei tessuti con un’efficienza
superiore a quella dei raggi X
protoni
ioni
carbonio
27 cm
tumore
•Tumori vicini agli organi critici (cervello, midollo spinale, ecc)
•Tumori pediatrici
• Tumori resistenti alle radio terapie convenzionali a raggi X
PROTONI, PSI

60. Deposizione di energia (ΔE/Δx = LET)
nei tessuti

61. Raggi XRaggi X Protoni o Ioni CarbonioProtoni o Ioni Carbonio

62. CNAO = Centro Nazionale di Adroterapia a Pavia
CNAO : Il Sincrotrone
Ugo Amaldi, Fondazione TERA

63. La fisica è cambiata enormemente negli ultimi cinquanta-sessant’anni,
così come il modo di condurre gli esperimenti. La scienza, infatti, si è
sviluppata enormemente rispetto ai periodi pionieristici in cui si poteva
fare fisica e nel giro di pochi mesi si potevano scoprire nuove e
affascinanti particelle. E il tutto sembra oggi molto più complicato, così
come le domande a cui vogliamo dare una risposta. Tuttavia, per me ècome le domande a cui vogliamo dare una risposta. Tuttavia, per me è
sempre interessante notare come le persone possano trovare ancora
piacere nel fare fisica.
Jack Steinberger, Premio Nobel per la Fisica 1988

64. SimmetrieSimmetrie
dell’Universodell’Universo
dalla scoperta dell’antimateria a LHCdalla scoperta dell’antimateria a LHC
GRAZIEGRAZIEGRAZIEGRAZIE

65. Referenze:
• Simmetrie dell’Universo, dalla scoperta dell’antimateria a LHC, Paolo
Berra, Ed. Dedalo, 2013.
• What’s the matter with antimatter?, Natalie A. Roe, Summer
Lecturer, Lawrence Berkeley National Laboratory .
• Applicazioni mediche della fisica delle particelle, Domenico Campi,
CERN, 2011.
• Accelerators in cancer therapy, Ugo Amaldi, CERN Summer Students
Lectures, 2013.
• Antimatter, R. Landua, CERN, Summer Student Lecturers, 2011.
• Sempre più veloci, Ugo Amaldi, Zanichelli, 2012.
• L’Universo elegante, B. Greene, Einaudi, 2003.

67. IL MODELLO STANDARD DELLA FISICA

68. Dov’e’finita l’antimateria nell’Universo?
1933 Dirac’s Vision
Se noi accettiamo la visione di una completa simmetria tra le cariche elettriche positive e negative alla
base delle leggi fondamentali della Natura, noi dovremmo interpretare come un incidente il fatto che il
pianeta Terra e presumibilmente l’intero Sistema Solare contengano in preponderanza elettroni a
carica negativa e protoni a carica positiva. E abbastanza presumibile che, per alcuni sistemi solari
presenti nell’Universo, possa sussistere la condizione opposta, in cui le stesse siano formate in modo
preponderante da positroni e protoni a carica negativa. Per tale ragione, in linea di principio,
potrebbero esistere metà dei sistemi solari per ciascun tipo. I due tipi di stelle dovrebbero avere gli
stessi spettri, cosicché non esiste modo di distinguere le une dalle altre con gli attuali sistemi di
indagine astronomici.
Paul Maurice Dirac, Nobel lecture (12 December 1933)

69. LHC è una potente macchina del tempo

70. Il momento più eccitante fu quando riuscimmo a vedere i primi veri antiatomi
d’idrogeno. Avevamo costruito, in anni di duro lavoro, l’intero apparato
sperimentale in competizione con le altre collaborazioni e sapevamo esattamente
cosa ci saremmo dovuti aspettare. Vedere però finalmente i risultati attesi, e al
contempo essere sicuri che questi non fossero solo delle mere illusioni, fu
assolutamente esaltante. La maggior parte del lavoro di un ricercatore procede
lentamente e solo occasionalmente ci si trova di fronte a questi indimenticabili
momenti.
Michael Doser, Collaborazione ATHENA
L’esperimento è una tappa fondamentale per lo studio dell’antimateria e sarà un
importante passo in avanti sulla strada del confronto tra atomi e antiatomi di
idrogeno. Queste misure ci potranno dare informazioni vitali riguardo la nostra
comprensione dell’Universo e in particolare [dirci] perchè la Natura abbia preferito
la materia rispetto all’antimateria.
Rolf Landua, Collaborazione ATHENA

71. Perchè si producono antiprotoni al CERN?
Si fa collidere un protone contro
un altro protoneun altro protone
pbeam + ptarget ➔ pbeam + ptarget + (p + p), ma anche
pbeam + ptarget ➔ pbeam + ptarget + (pions, kaons, …)
Il 99 % delle interazioni tra protoni non producono gli
antiprotoni

72. Test di precisione per la verifica
della simmetira tra materia ed
antimateria al CERN:
• Simmetria CPT
• Antimateria e gravità
AD ATRAP
Cattura degli antiatomi di idrogeno;
AD ALPHA
Cattura degli antiatomi di idrogeno;Cattura degli antiatomi di idrogeno;
AD AEGIS
Studi sulla gravità dell’antimateria.

73. L'energia trasportata dalla radiazioni viene ceduta quando la
radiazione è assorbita dalla materia attraversata.
L’assorbimento di radiazione da parte della materia attraversata
può essere impiegato per :
La fisica medica si basa essenzialmente sull’uso delle radiazioni
• Creare impressioni su una pellicola fotografica, o generare segnali
elettrici in appositi rilevatori (radio-diagnostica)
• Generare, a livelli energetici piu’ elevati ed a seguito
dell’assorbimento, danni alle cellule malate dell’organismo umano
per distruggerle (radio-terapia)