Le emulsioni nucleari nella fisica delle particelle elementari

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Le emulsioni nucleari nella fisica delle
particelle elementari

• Giovanni De Lellis
• Università Federico II Napoli

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Ulisse e Dante Alighieri
La Divina Commedia, Inferno Canto XXVI
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Ulisse fu infatti
Ulisse e le sirene (stamnos a figure attiche
rosse) Periodo tardo arcaico, da Vulci, British
Museum
uomo dazione animato da curiositas ...
con intelligenza e astuzia sperimentale
Il cavallo di Troia (pithos), VII secolo aC
Mykonos (Museo Archeologico)
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... e inoltre
La ricerca fondamentale apre la strada a
future applicazioni Radio, transistor, laser, ..
basati su precedenti scoperte di fisica
fondamentale Nascita e sviluppo di nuove
tecnologie World Wide Web nato
al CERN Ricerca ?
Tecnologia Formazione di competenze e
professionalità Partecipazione alla ricerca
nellUniversità e in Laboratori tesi di laurea
e dottorato, borse di studio,
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Cosa sono le particelle
Costituenti fondamentali della materia Particelle
Elementari Origine del loro legame (o
repulsione) Interazioni Fondamentali
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Da Democrito e Epicuro ai versi di Lucrezio(De
rerum natura, Libro I versi 483 e 548 )
Corpora sunt porro partim primordia rerum,
partim concilio quae constant principiorum. Sed
quae sunt rerum primordia, nulla potest
vis stinguere nam solido vincunt ea corpore
demum. ... Sunt igitur solida primordia
simplicitate nec ratione queunt alia servata per
aevum ex infinito iam tempore res reparare.
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Tito Lucrezio ( 97-55 aC)
Nasce il poeta Tito Lucrezio questi, divenuto
pazzo per un filtro damore, dopo aver scritto
nei momenti di lucidità diversi libri in seguito
pubblicati da Cicerone, si suicidò alletà di 44
anni. Annotazione di S.Gerolamo (IV secolo dC)
al Chronicon di Eusebio di Cesarea
De Rerum Natura era poco noto nel Medioevo.
Lucrezio era considerato un lunatico ed ateo. Il
testo venne diffuso dopo la scoperta nel 1417 di
un antico manoscritto da parte di Poggio
Bracciolini, umanista e segretario del Papa.

Lucrezio, De Rerum Natura Copiato da Girolamo di
Matteo de Tauris per Sisto V, 1483 Roma,
Biblioteca Vaticana
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E nel 1905
La massa è una forma di energia
Se lo avessimo saputo prima , avremmo posto c1 e
scritto Em
Le particelle non sono più solide e immutabili
ma le radici filosofiche (Democrito, Epicuro e
Lucrezio) restano ben presenti
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Storia dei costituenti fondamentali della materia
Democrito la varietà e il divenire di quanto
osserviamo in natura proviene dalle tante
diverse combinazioni di costituenti
elementari ( 60 miliardi di individui viventi
tutti con un diverso DNA)
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Regolarità ? ?
Le particelle elementari di oggi
Fisica atomica protone, neutrone, elettrone per
costruire tutti gli elementi chimici
?
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Particelle Elementari
Le particelle elementari di oggi non lo saranno
forse più domani
Latomo non è più considerato come elementare
è formato da elettroni e da un nucleo

• Lessere considerata particella elementare
• dipende dal momento dello sviluppo scientifico

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Dimensioni Interazione Energia di legame
Atomo 1 Å 10-8 cm elettro-magnetica E 1 eV
Nucleo 1 F 10-13 cm forte E 1 MeV
Nucleoni (p o n) 1 F 10-13 cm forte E 100
MeV
Quarks u, d, ... (limite delle nostre attuali
conoscenze) Sono veramente elementari ?
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Lo scandalo delle cariche elettriche frazionarie
Qu 2/3 e Qd -1/3
Quarks con carica di colore Forze di colore
trasmesse dai gluoni (mediatori delle
Interazioni Forti )
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Ogni interazione ha un mediatore(i mediatori
sono particelle vettori di forza)
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Le tre interazioni fondamentali
Totalmente trascurabile per particelle
elementari Nei corpi materiali appare molto
intensa solo perché le cariche (masse) sono tutte
positive
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Interazione Elettro-Magnetica ? coesione
atomica e molecolare
Interazione Forte ? coesione nucleare
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Interazione Debole
Becquerel (1896) Lastre fotografiche riposte al
buio vennero trovate impressionate ! Creazione
spontanea di radiazione
Teoria di Fermi (1933) ancora senza mediatore
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LInterazione Debole è diventata Elettro-Debole
Descritto sinteticamente e quantitativamente da
un Diagramma di Feynman
Ma le proprietà del neutrino restano un mistero,
a cominciare dalla sua massa
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Quanto-Elettro-Dinamica e Quanto-Cromo-Dinamica(
le attuali teorie delle interazioni
elettro-deboli e forti)
costante di accoppiamento
probabilità di emissione del mediatore
(a
per QED, as per QCD) Interazioni
diverse diversa costante di accoppiamento

Diagrammi di Feynman scritti in termini di
(probabilità)1/2 anzichè di probabilità come
prescrive la Meccanica Quantististica
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Lunificazione Elettro-Debole
Interazioni elettromagnetiche e deboli
Stessa costante di accoppiamento a e2 /4p?c
1/137 Fondamentalmente non sono diverse (lo è
invece linterazione gravitazionale costante G
) Ma viene scambiato un diverso mediatore
e.m fotone g deboli
W? , Zo

• Perché interazioni deboli ?
• W? o Zo massa (energia a riposo)
• estremamente grande
• piccolissima probabilità di scambio

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Tutto in termini di particelle(anche i mediatori
delle interazioni)
Protoni e neutroni formano i nuclei
atomici Nuclei atomici ed elettroni formano gli
atomi .
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Interrogativi
Esiste il bosone di Higgs ? Un necessario
pezzo mancante nella attuale teoria Il
neutrino ha massa ? Nuova visione della fisica
delle particelle Implicazioni per astrofisica e
cosmologia Grande Unificazione
elettro-debole-forte ? Proseguire sulla strada
iniziata da Newton con la Gravitazione
Universale Super-simmetria ? Un legame tra
particelle di materia (quarks e leptoni) e
particelle vettori di forza (mediatori) Onde
gravitazionali ? Verifica predizione dalla
relatività generale
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Fare un esperimento è osservare
sorgente
particelle (luce)
bersaglio (da osservare e studiare)
rivelatore (occhio)
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Un classico intramontabilelesperimento di
Rutherford
Verifica di ipotesi alternative sulla struttura
interna degli atomi
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Lesperimento di Rutherford come inizio di una
metodologia
Losservazione di diffusioni fornisce
informazioni sulla struttura interna di oggetti
sconosciuti (una radiografia evidenzia strutture
interne attraverso una misura di assorbimento
meno sensibile, quindi forti dosi di radiazione)
Metodologia alla Rutherford anche per scoperta
dei quarks allinterno di protone e neutrone
Per indagare oltre servono altissime
energie Perché ? Come fare ?
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Lunghezza donda (l) e potere risolutivo
Fisica classica Immagine visibile se l ltlt d
d
immagine
Fisica quantistico-ondulatoria Particelle
rappresentate da unonda
Studio di particelle subnucleari l ltlt d 10-13
cm Sorgenti di particelle ad altissima
energia Acceleratori di particelle
d
l
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Acceleratore circolare di particelle

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I grandi acceleratori di particelle nel
Laboratorio Europeo CERN (Ginevra)SPS, LEP,
LHC
Monte Bianco
Lago di Ginevra
8 km
CERN
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Bersaglio fisso e collisionatori
Esperimenti con collisionatori Collisioni
frontali tra due fasci di particelle Energie (di
collisione) molto elevate Ma i fasci hanno bassa
densità
Esperimenti a bersaglio fisso Fascio di
particelle su un bersaglio Densità dei corpi
solidi ? alte probabilità di interazione Adatti
per ricerca di eventi rari
Energia di collisione 29 GeV
Energia di collisione 900 GeV
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Collisionatorielettrone-positrone (materia)
(antimateria)
Punti di collisione
LEP al CERN 100 100 GeV Un rivelatore in
ciascun punto di collisione
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Ma vi è anche la frontiera degli eventi rari(per
esempio la Fisica del Neutrino)
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CHORUSuna macchina fotografica per
micro-immagini di interazioni di neutrini
prodotti da acceleratori!
n
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EMULSIONI FOTOGRAFICHE NUCLEARIrivelatori
di particelle con precisione micrometrica
Risposta non in tempo reale resta scritta
dentro Viene letta mediante una nuova
tecnologia microscopi automatici

• Rispetto alle normali emulsioni fotografiche
• Sensibilità ? rivelazione di tracce di singole
  particelle
• Nelle fotografie limmagine è data da
• un gran numero di particelle di luce, i
  fotoni
• Spessore ? ricostruzione tridimensionale delle
  tracce

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EMULSIONI FISICA E ALTRE APPLICAZIONI
Di grande attualità in Fisica delle Particelle
50 anni dopo la scoperta del pione nelle prime
emulsioni nucleari esposte a raggi cosmici
Trasferimento tecnologico per analisi immagini
in Terapia tumorale, Biofisica, etc
cromosomi
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LE EMULSIONI IN UN ESPERIMENTO DI FISICA
foglio di emulsioni
bersaglio attivo (costituito da fogli di
emulsioni)
traccia ricostruita a partire da
immagini acquisite su diversi livelli
supporto plastico
emulsione (spessore 0,05-0,5 mm)
particella entrante ( invisibile se è un neutrino
)
fascio di particelle (perpendicolare alla
superficie delle emulsioni)
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GRANI IN UNA VISTA 50 ingrandimenti
profondità di campo 0,003 mm
Le tracce delle particelle che interessano sono
perpendicolari al foglio dopo lo sviluppo sono
viste come granidi argento metallico
.
Analisi delle immagini Collegare grani ?
tracce Collegare tracce ? eventi
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La pioggia cosmica
Raggi cosmici ( protoni, )
Materia ordinaria p, n , e-
p
po
Particelle elementari di altissima energia sono
generate in lontane galassie, con meccanismi
praticamente sconosciuti Interagendo
nellatmosfera esse producono sciami di
particelle
e
n
m
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Possiamo vedere la pioggia cosmica(mediante
rivelatori di particelle)
Tracce di particelle visualizzate da una camera
a scintilla
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Studio dei raggi cosmici

• Utilizzate emulsioni nucleari per la prima volta
  su vasta scala in Giappone nel dopo-guerra sulle
  Alpi giapponesi
• Alternanza di materiale passivo (economico) e
  emulsioni nucleari (analisi visiva) assai
  faticoso ma molto economico (pochi fondi per la
  ricerca nellimmediato dopo-guerra)
• Negli anni 70 iniziato lo sviluppo di sistemi di
  scansione automatica
• Primo prototipo sviluppato negli anni 80

raggi cosmici
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Particelle a vita breve

• Lequivalenza tra massa e energia fa sì che la
  massa possa essere convertita in altre masse (più
  piccole) ed energia residua
• La disintegrazione (decadimento) di particelle è
  la conversione in particelle più leggere
• Quanto più la particella è pesante, tanti più
  tipi di conversioni sono possibili (più
  combinazioni di stati finali permessi) e quindi
  la particella si disintegra più velocemente
• Di qui le particelle a vita breve, ovvero
  particelle pesanti
• La loro scoperta è possibile solo raggiungendo
  alte energie (masse)

Esempio se la particella più leggera ha massa 1
allora 3? 111 2?11
1 ?? 3? 21 2
decadimenti 1 decadimento nessuno
(stabile)
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Prima particella con charm (X)
Due particelle con charm sono create e si
disintegrano di lì a poco (10-12 s)
Prof. Niu e coll., Nagoya University, Giappone
1971.
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Prima particella con beauty
Due particelle con beauty sono create e si
disintegrano di lì a poco (10-12 s) Creando
particelle con charm che a loro volta decadono
Esperimento WA75, CERN Ginevra, 1980
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ANALISI AUTOMATICA DI IMMAGINI
Indispensabile per conseguire risultati in un
tempo accettabile
Tecnologie avanzate Meccanica di
precisione Ottica Elettronica Informatica
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SISTEMA AUTOMATICO PER ANALISI DI IMMAGINI
3-DIMENSIONALI IN EMULSIONI (schema generale)
MONITOR VISUALIZZAZIONE DELLE IMMAGINI E GRAFICA
TELECAMERA A CCD 1024 x 1024 pixels, 30 Hz
512 x 512 pixels, 60 Hz 512 x 512 pixels, 120 Hz
ACQUISIZIONE DATI E CALCOLO
RETE INFORMATICA ESTERNA
CONTROLLO ILLUMINAZIONE E MOVIMENTO
MICROSCOPIO
PC
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MICROSCOPIO AUTOMATICO E TELECAMERA
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RICERCA AUTOMATICA DI TRACCE ED EVENTI
VISTE A DIVERSA PROFONDITA NELLEMULSIONE
CCD
OBIETTIVO 50 X vista 0,15 x 0,15
mm2 profondità di fuoco 0,003 mm
RICERCA DI GRANI ALLINEATI
10 - 50 viste
EMULSIONE
TRACCE ( grani allineati )
BANCO OTTICO E MICROSCOPIO
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VERSO IL VERTICE DELLINTERAZIONE
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RICOSTRUZIONE TRIDIMENSIONALE DI TUTTE LE TRACCE
EVENTO RICOSTRUITO IN 3 DIMENSIONI
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La storia delluniverso in una pagina
noi siamo qui
Un momento importante Disaccoppiamento
radiazione-materia (bassa densità, bassa
probabilità di interazioni) Luniverso diventa
trasparente !
Linizio rapidissimo