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Il Bosone di Higgs spiegato al mio cane

Un tentativo di spiegare cosa sia il bosone di Higgs
by

Francesco Mezzanotte

on 28 March 2013

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Transcript of Il Bosone di Higgs spiegato al mio cane

Il 4 luglio 2012 "Abbiamo una scoperta" esultò Rolf-Dieter Heuer, usando cautamente questa parola.
"Abbiamo osservato una nuova particella compatibile con il Bosone di Higgs". Divulgazione Scientifica Il Bosone di Higgs spiegato al mio cane La Fisica Moderna ha raggiunto oggigiorno risultati davvero apprezzabili.
Contemporaneamente però è aumentato il grado di difficoltà del linguaggio scientifico ad essi collegato (la Matematica, sic!).
Questo allontana le persone comuni (cioè i non esperti) dalle tematiche scientifiche più all'avanguardia.
Scopo quindi di una presentazione divulgativa come questa è quello di far comprendere a chiunque abbia fatto le scuole secondarie una materia affascinante, ma difficilissima, come quella della Fisica delle Particelle Elementari. Di cosa è fatto
l'Universo? Il bosone di Higgs LHC e il CERN Il laboratorio scientifico più grande del Mondo! Parliamo del Volto della Luna Tutti conosciamo il
"Volto della Luna"

oggi ...

... ma in passato? Anche se incerta la paternità dell’invenzione del cannocchiale, è comunque certa la paternità del suo utilizzo scientifico … ... fu GALILEO, avuta notizia degli strumenti fiamminghi, a realizzare un “perspicillum exactissimum” e a volgerlo al cielo il 2 ottobre del 1609. Ma ieri? Cosa significa "vedere"? Thomas Harriot, 26 luglio 1609 Non è escluso che, tra la fine del ’500 in cui venne inventato il cannocchiale e il 1609, in cui furono effettuate queste osservazioni, altri, prima di Galileo, abbiano rivolto i nuovi strumenti ottici alla volta celeste
e, perché no, alla Luna …

… ma l’aspetto stupefacente delle osservazioni galileiane fu il fatto che egli riconoscesse, con il suo cannocchiale (certo di qualità non eccelsa e con pochi ingrandimenti), cavità
e sporgenze come monti
e valli simili a quelli terrestri … L'immagine ambigua Galileo non solo osservava per la prima volta cose mai viste prima, il che è molto diverso dal vedere oggetti già osservati, ma non aveva alcun modello conosciuto a cui rifarsi … «La parte più chiara par circondare tutto l’emisfero; la più oscura, invece, la fa apparire macchiata …
… queste grandi macchie, sempre in ogni epoca furono scorte, a differenza di altre, minori per ampiezza, che
da nessuno furono osservate prima di noi …
… e così la superficie della Luna NON è affatto liscia, uniforme e di sfericità esattissima, come una numerosa schiera di filosofi ha ritenuto, ma, al contrario, diseguale, scabra, ripiena di cavità e di sporgenze …
… non altrimenti che la faccia stessa della Terra, la quale si differenzia qua per catene di monti, là per profondità di valli.» Dal Sidereus Nuncius, 1610 Cosa vedete? «Quando guardiamo oggetti noti, in un ambiente visivo familiare, l’entrata visiva viene confrontata con immagini che derivano da precedenti esperienze visive e che sono conservate nella memoria.
In questo caso, vedere è riconoscere.
Quando invece ci troviamo di fronte a una nuova immagine, vedere richiede un’interpretazione.» Lamberto Maffei, 1979
La visione: dalla neurofisiologia alla psicologia Cosa tiene tutto insieme? Le domande dell'uomo Dall'atomo ai quark Breve storia della Fisica delle Particelle L'atomo di Rutherford La fisica delle particelle moderna continua a sfruttare il metodo con cui Ernst Rutherford dimostrò l'esistenza del nucleo all0ìinterno dell'atomo, cioè l'utilizzo di fasci di particelle subatomiche per sondare la struttura della materia. Il mesone π Cosa tiene insieme il nucleo? L'antimateria Ma davvero esiste? Il Quark Dinamica dei quark Come sono confinati nelle particelle? Gli elettroni hanno carica negativa I Protoni hanno carica positiva I Neutroni sono neutri Forza Elettrica Cariche di segno opposto si attraggono
cariche di segno uguale si respingono La Forza Nucleare La forza di attrazione tra elettroni e protoni agisce a lungo raggio. Se non ci fosse una forza che contrasta la repulsione, i nuclei si disintegrerebbero. Questa forza deve essere molto più potente di quella elettrica e deve agire a corto raggio. Il giapponese Hideki Yukawa ipotizzò che tra protoni e neutroni ci fosse uno scambio di un "quanto pesante" che fosse il mediatore di questa forza a corto raggio.
La particella di Yukawa venne scoperta nel 1947 nei raggi cosmici ed oggi è nota come mesone "pi greco" o pione. Nel 1928 Paul Dirac scrisse un'equazione per l'elettrone che univa la teoria quantistica con la relatività. Alcuni pensano che sia l'equazione più bella di tutta la Fisica! La fama di questa equazione è dovuta al fatto che tra le sue quattro soluzioni, solo due hanno senso (danno cioè soluzioni con energia positiva), mentre altre due impongono l'esistenza di un elettrone con energia negativa. FISICA DELLA DISPERAZIONE
Se l'elettrone ha carica negativa ed è rappresentato dalle due soluzioni a energia positiva, allora le altre due soluzioni devono rappresentare una particella identica ad esso, ma con carica opposta. Nel 1933 Carl Anderson identificò nei Raggi Cosmici una particelle con le stesse caratteristiche della "particella di Dirac".
La chiamò "positrone": era l'anti-elettrone. Ogni particella ha la sua anti-particella. In pochi casi la particella è identica alla sua anti-particella (ad esempio il fotone).
Se una particella ha una carica q, allora la sua anti-particella ha carica -q. Oggi al CERN i fisici sono capaci di produrre piccole quantità di anti-idrogeno ...
... ma non certo tanto quanto quello descritto in "Angeli e Demoni"! Nel 1955 un gruppo di sperimentatori di Berkeley, guidati da Ernest Lawrence, annunciò la scoperta di un anti-protone con l'utilizzo del primo acceleratore di particelle. Come possiamo immaginare l'antimateria? Star Wars version I pericoli della vita moderna

Di fuori della fascia troposferica
C'è una nuda regione tra le stelle
dove esiste una striscia antimaterica
patria del dottor Edward Anti-Teller.
Ben lungi d'ogni fonte di fusione
colà viveva, ignaro e ignorato,
anti-curando la sua collezione
d'oggetti d'anti-arte e di quariato.
Un dì mentre scendeva dalle scale
vide atterrare strana una cometa;
era un vascello atomico, dal quale
sbucò un turista del nostro pianeta.
Si videro un alieno e un terrestre
in tutto identici come due cloni
corrersi incontro e stringersi le destre...
E poi furono solo radiazioni. Non mi è molto chiaro dove sia la «fascia troposferica»..... e e - + Se una particella e la sua anti-particella vengono a contatto si dice che si "annichilano" e producono dei fotoni (luce). Three quarks for Muster Mark!
Sure he hasn't got much of a bark.
And sure any he has it's all beside the mark.
(James Joyce, Finnegan 's Wake) Nel 1963 un fisico della Columbia University propose uno schema da lui inventato per classificare tutte le particelle allora conosciute come se fossero tutte costituite da altre ancora più "elementari" ...
Si trattava di una sorta di tavola periodica delle particelle subatomiche. Questo fisico si chiamava Murray Gell-Mann.
L'audacia della sua ipotesi era dovuta al fatto che le nuove particelle dovevano avere una carica elettrica frazionaria.
Come nome per queste nuove particelle, scelse un termine che proveniva dai giochi di parole di un libro di James Joyce. Negli anni '60 gli esperimenti portarono all'evidenza dei fisici un gran numero di particelle cosiddette "elementari", tanto che qualcuno cominciò a parlare di uno "zoo di particelle". I fisici inventarono una dinamica che confinasse i quark all'interno delle particelle. In questo modello i quark si scambiano delle particelle che si chiamano "gluoni" (in inglese "gluons"), mediatori della forza forte che ha una caratteristica molto particolare: la sua intensità aumenta all'aumentare della distanza. Un po' come un elastico. A oggi sono stati osservati sei diversi quark: up, down, strange, charm, bottom e top.
Tutti hanno carica frazionaria e massa che varia tra una piccolissima frazione della massa del protone fino a 200 volte tanto. Ma la situazione è più complessa.
Dalla meccanica quantistica si sa che non si possono trovare due quark identici nella stessa particella. È un'applicazione del principio di esclusione di Pauli.
Ma siccome esistono particelle che hanno tre quark tutti uguali al loro interno, i teorici hanno inventato allora un'altra proprietà, chiamata «colore», per differenziare i diversi tipi di quark. La parola «colore» è solo una metafora per una generica distinzione. Qual è la differenza tra fermioni e bosoni? Il loro comportamento! Un fermione è una qualsiasi particella con spin semi-intero. I quark, i leptoni, i protoni, i neutroni e molte altre particelle composite sono fermioni.
Per ragioni ancora non del tutto chiare, la conseguenza di avere uno spin semi-intero è che tutti i fermioni obbediscono al Principio di Esclusione di Pauli per cui essi non possono coesistere nello stesso stato, nello stesso luogo e allo stesso tempo. Un bosone invece è una particella con spin intero. Tutte le particelle mediatrici delle forze fondamentali sono bosoni. La particella di Higgs John Ellis spiega il Bosone di Higgs Il bosone di Higgs riveste un ruolo estremamente importante nell’ambito del Modello Standard. In pratica è l’ingranaggio fondamentale di un meccanismo in grado di fornire la massa a tutte le particelle note, la manifestazione materiale di un campo di forze che pervade l’intero Universo. Un’immagine usata di frequente per rendere comprensibile il meccanismo di Higgs è quella di un campo di forze che si “aggrappa” agli oggetti che lo attraversano causando un effetto di resistenza che si manifesta come massa, una specie di melassa che si attacca alle particelle che la attraversano rendendole “pesanti”. Se arriva un personaggio celebre (la particella), a mano a mano che avanza e attraversa la stanza, viene circondato dalle persone vicine che gli si stringono attorno e rallentano la sua avanzata all’interno della stanza, come se fosse improvvisamente più pesante. Il fisico David J. Miller lo descrive così: immaginate di trovarvi a una festa. La folla (il campo di forze) è piuttosto numerosa e uniformemente distribuita all’interno della stanza. Lo stesso fenomeno di addensamento si può verificare quando nella stanza si diffonde una notizia. I più vicini alla fonte ascoltano perché vogliono conoscerne i dettagli e, come nel caso precedente, la propagazione della notizia lungo la stanza si porta dietro un gruppo di persone interessato a essa.

Questo gruppo coeso di curiosi che si forma all’interno della stanza rappresenta il bosone di Higgs all’interno del campo di Higgs. Analogamente, se un campo di forze è distorto localmente dal passaggio di una qualsiasi particella, questa distorsione, ovvero l’aggregazione del campo intorno alla particella, genera la massa della particella stessa. Il Modello Standard, la teoria che descrive i componenti fondamentali di tutte le cose, come abbiamo visto, funziona veramente molto bene, ma ha un piccolo difetto: sostiene che le particelle non dovrebbero avere massa.
Nessuna massa, particelle senza peso!
E' un bel controsenso, perché noi sappiamo benissimo che le cose hanno massa, e dunque ce l'hanno le particelle che le compongono.
Il problema è che se aggiungiamo "a mano" nella teoria la massa delle particelle, le equazioni vengono distrutte e non funzionano più (i fisici teorici dicono che l'invarianza di gauge della teoria non era rispettata).
Un bel dilemma! Poi negli anni 60 il signor Peter Higgs saltò su dicendo: "io avrei una possibile soluzione!".
Supponiamo che le particelle in effetti non abbiamo massa di per sé, ma che nell'universo esista però un campo che pervade tutto, una sorta di melassa cosmica che le particelle devono attraversare quando si muovono. Già, ma come fare a provarlo? Il signor Higgs andò oltre nei suoi calcoli e notò che se la sua ipotesi era vera, allora questa sorta di melassa cosmica, oltre a dare massa alle particelle, ogni tanto doveva anche raggrumarsi su se stessa, dando vita una nuova particella che venne battezzata bosone di Higgs. Ecco, il bosone di Higgs, se esiste, è il condensato di questo campo che pervaderebbe tutto e sarebbe il responsabile della massa di tutte le altre particelle. Questa melassa frenerebbe in modo diverso ogni particella (e ogni composto di particelle, anche gli uomini e i cani) rendendola più o meno pesante.
Tradotta in equazioni l'idea funzionava: le particelle acquisivano massa e le equazioni della teoria rimanevano valide senza spappolarsi.
Eureka! CERN: veduta aerea Struttura degli acceleratori LHC 1 LHC 2 LHC 3 ATLAS 1 ATLAS 2 CMS 1 CMS 2 CMS 3 Perché Accelerare? I numeri di LHC Anello di 27 km di circonferenza a 100 m di profondità
L'energia di progetto è di 7 TeV per ciascun fascio
Campo elettromagnetico di 5 MV/m
Protoni accelerati fino al 99,999999% della velocità della luce
In 1 secondo i protoni compiono 11000 volte il giro di LHC
I protoni sono sottoposti ad una forza centripeta 2 x 10 volte superiore all'accelerazione di gravità
I magneti di dipolo che li mantengono sulla traiettoria circolare devono avere un'intensità pari a 8 Tesla (200 mila volte il campo magnetico terrestre)
I magneti sono superconduttori che lavorano a -271 °C
I pacchetti di protoni si scontrano 40 milioni di volte al secondo
Ad ogni scontro si realizzano in media 20 collisioni tra singoli protoni Qualche grafico? Riferimenti www.cern.ch
www.particleadventure.org
www.lescienze.it
magazine.linxedizioni.it
www.borborigmi.org
www.phdcomics.com

Questa presentazione è stata realizzata su
Prezi: www.prezi.com Ringraziamenti Vorrei ringraziare:
i docenti dell'area tecnico-scientifica dell'IIS Matteo Ricci
Carla e Teresa
L'Università di Camerino, dipartimento di Chimica, Jessica Palmucci Intermezzo Ma cos'è la radiazione cosmica? E cosa sono i raggi cosmici? In cosmologia, la radiazione cosmica di fondo, detta anche radiazione di fondo, abbreviata spesso in CMBR, dall'inglese cosmic microwave background radiation, è la radiazione elettromagnetica residua prodotta dal Big Bang che permea l'universo.

Nonostante lo spazio tra stelle e galassie appaia nero con un telescopio ottico tradizionale, tramite un radiotelescopio è possibile rilevare una debole radiazione isotropa di fondo che non è associata ad alcuna stella, galassia, o altro corpo celeste. Tale radiazione cosmica ha intensità maggiore nella regione delle microonde dello spettro elettromagnetico.

La CMBR venne scoperta nel 1964 dagli astronomi americani Arno Penzias e Robert Woodrow Wilson al termine di uno studio avviato nel 1940, che li portò a conseguire il Premio Nobel nel 1978. I raggi cosmici sono particelle energetiche provenienti dallo spazio esterno, alle quali è esposta la Terra e qualunque altro corpo celeste, nonché i satelliti e gli astronauti in orbita spaziale. La loro natura è molto varia (l'energia cinetica delle particelle dei raggi cosmici è distribuita su quattordici ordini di grandezza), così come varia è la loro origine: il Sole, le altre stelle, fenomeni energetici come novae e supernovae, fino ad oggetti remoti come i quasar. 12
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