La scoperta delle particelle strane

1
La scoperta delle particelle strane

• Arturo RussoDipartimento di Fisica e Tecnologie
  RelativeUniversità di Palermo

2
Le particelle elementari (1947)
Materia e radiazione Protone (p),neutrone (n), elettrone (e-), fotone (g)
Forze nucleari Pione (mesone p)
Anti-elettrone Positrone (e)
Decadimento beta Neutrino (n) (teorica)
Decadimento del pione Muone (mesone m) p ? m ? e
3
I raggi cosmici (1947)
4
La scoperta delle particelle V (George Rochester
e Clifford Butler)
15 ottobre 1946
23 maggio 1947
(2 fotografie tra 5000)
5
Un mesone pesante
Massa delle V ? 1000 me
Massa del pione 273 me Massa del muone 207
me Massa del protone 1840 me
6
Una scoperta casuale ?
The result of good fortune, good science and the
right technique (G. Rochester)
Clifford Butler
7
Il laboratorio di Blackett a Manchester
Patrick Blackett
L. Janossy, D. Broadbent e G. Rochester
8
L'observatoire du Pic du Midi
9
Pic du Midi(Settembre 1949)
Beppo OcchialiniPatrick Blackett
10
Il magnete al Pic du Midi
Luglio 1950
11
La conferma dalla California (Novembre 1949)
34 eventi di tipo V in 11.000 fotografie in
camera a nebbia 30 eventi mostrano il decadimento
di una particella neutra in due cariche 4 eventi
mostrano il decadimento di una particella carica
in una seconda particella carica più,
presumibilmente, una neutra 6 eventi (tutti del
primo tipo) a Pasadena,28 sulla White Mountain
(3200 m s.l.m.)
Carl Anderson
12
Un'altra scoperta o la stessa?
Cecil Powell
1950-51 si conferma t? ? p? p p-
mt ? 1000 me
13
La grande stagione dei "cosmiciens" (1947-1955)
Montagnes, ballons, avions le physiciens ont
connu una dernière époque aventureuse, un dernier
bain de nature, avant le grand enfermement dans
le beton des accélérateurs (La matière première,
1987)
Michel Crozon
14
La ricerca di un quadro coerente(1950 1955)

• La natura come laboratorio, spirito d'avventura e
  disponibilità a lavorare in condizioni disagiate
• Paziente lavoro di raccolta e interpretazione
  delle tracce, classificazione sistematica degli
  eventi, ricerca di una nomenclatura razionale
• Confronto tra risultati ottenuti da diversi
  gruppi di ricercatori in convegni e congressi

Vari laboratori europei e americani impegnati in
un'attività che richiama lo spirito e i metodi
del naturalismo ottocentesco
15
La fisica dei raggi cosmici in Europa negli anni
'50

• Scuola di formazione della nuova generazione di
  fisici sperimentali
• Solidarietà e collaborazione internazionale
• Orgoglio di fronte alla sfida dei grandi
  acceleratori americani

16
Due interpretazioni della nascita della "big
physics"

• Ad alta intensità di capitale negli Stati Uniti,
  sull'onda del progetto Manhattan (grandi
  laboratori e grandi macchine)
• Ad alta intensità di lavoro nell'Europa che
  emerge dalle rovine della guerra (collaborazioni
  internazionali ed emulsioni nucleari)

17
I risultati del Pic du Midi(1950 - 1952)
Due tipi di particelle V neutre (V) V1 ? p
p- (massa ? 2200 me) V2 ? p p- (massa ?
800 me)
Due ipotesi sulle particelle V cariche V? ? m?
p0 n oppure V? ? m? n n (massa ?
1100 1200 me)
18
Conferme per le V neutre(Rochester conference
1952)

• I risultati del Pic du Midi per le V neutre sono
  confermati da quattro gruppi americani
• Caltech (Carl Anderson e coll.)
• Indiana University (Robert Thompson e coll.)
• Berkeley (William Fretter)
• MIT (Bruno Rossi e coll.)

19
La camera "multiplate"
B. Rossi (1953)
W. Fretter (1951)
20
Problemi per le V cariche
"Particelle che decadono in volo in camera a
nebbia producendo una caratteristica traccia
biforcuta a grande angolo" (Rochester e Butler,
1953)
Dopo l'iniziale osservazione del 1947, altre ne
erano state osservate da vari gruppi, ma le
particelle cariche erano molto più rare di quelle
neutre e le ipotesi molto più controverse.
21
Un decadimento a cascata
Pic du Midi (1952) (confermato a Caltech)
Y- ? V01 p-
V01 ? p p-
(Massa ? 2600 me)
22
Le particelle K degli emulsionisti(circa 1953)
e
t? ? p? p p- mt ? 970 me k? ? m?
?0 ?0 mk ? 1125 me ?? ? p? ?0
m? ? 900 - 1000 me
m
k
Jungfraujoch
?0 ?0
23
Quale relazione tra le particelle V? in camera a
nebbia e le particelle K nelle emulsioni nucleari
?
Probabilmente k? e V? sono la stessa particella,
caratterizzata da un decadimento in 3 particelle
di cui una carica, probabilmente m
24
Le particelle S di MIT(1952-53)
33 eventi in 22.000 foto Decadimento da ferma
("stopped") Massa ? 1000-1500 me
Probabile decadimento m/p ?0
25
Le conclusioni di Rossi e coll.
S V? ? Decadimento in 2 particelle, di
cui una carica (p o m)
26
La situazione si presentava affascinante, ma
nello stesso tempo caratterizzata da una enorme
confusione !
G. Rochester, 1989
27
Bagnères de Bigorre(Luglio 1953)
28
I nomi e le cose
Mesoni leggeri (L) pione (p) e muone (m)
Mesoni pesanti (K) particelle di massa intermedia tra quella del pione e quella del protone (V, S, k, ?, t, .)
Iperoni (Y) particelle di massa maggiore di quella del neutrone (Y-, )
Lettere greche maiuscole per gli iperoni e
minuscole per i mesoni
29
Un primo quadro per gli iperoni(1953 1954)
V01 L0 ? p p- (massa 2181 me)
Y- ?- ? p- L0 (massa ? 2600 me)
S ? p p0 n p (massa ? 2300 me)
S- ? n p- (da Brookhaven)
S0 ? n p0 (scoperta nel 1957)
30
Quanti mesoni K?(La situazione a Bagnères de
Bigorre)
Dalle camere a nebbia V02 ? p p- (massa 971 me) V? ? m? ?0 ?0 (massa ? 1100-1200 me) S ? m? ?0 ?0 (massa ? 1000 me) (da nuovi dati di MIT, una delle ?0 probabilmente g)
Dalle emulsioni (? 50 eventi) t? ? p? p p- (massa 966 me) t'? ? p? p0 p0 (presumibilmente ? t?) k? ? m? ?0 ?0 (massa 1125 me) ?? ? p? ?0 (massa ? 900-1000 me)
31
Particelle diverse o una sola particella con
diversi modi di decadimento?
32
Le conclusioni di B. Rossia Bagnères de Bigorre
"Due particelle dovrebbero essere considerate
identiche finché non si sarà provato che sono
differenti"
B. Rossi, G. Bernardini, E. Fermi
33
Quindi .
Un mesone K neutro V02 ?0 ? p p-
Un solo mesone K carico con due modi di
decadimento k? ? m? n g t ? 3p
La particella ?? ? p? ?0 non esiste
34
Ma .
I fisici di Bristol sono ragionevolmente convinti
dell'esistenza della particella ?. La massa della
particella k? (1125 me) è maggiore di quella
della particella t (966 me). Eccetera .
35
Nuovi risultati (1954-55)
Da MIT sulle particelle S Dagli emulsionisti sui
mesoni K Dalla camera a nebbia di Princeton a
Echo Lake (Colorado)
Echo Lake
? ? p p0 p0 ? e e- e
e- (massa ? 970 me)
36
Di conseguenza.

• Si conferma l'esistenza della particella ? e si
  può anche concludere che
• ? ? ?
• Un unico mesone pesante ? con tre stati di carica
  che decade in una coppia di pioni
• ?0 ? p p-
• ?? ? p? p0

37
Il nuovo quadro dei mesoni K carichi
Simbolo Decadimento Massa
t 3p 966 me
? (?) 2p ? 970 me
k m ?0 ?0 1125 me
38
Il "?-t puzzle"

• Le particelle ? e t
• hanno la stessa massa
• hanno la stessa vita media
• decadono entrambe producendo pioni?
• Sono la stessa particella?

39
No, perché lo stato di tre pioni prodotto dal
decadimento della t differisce in momento
angolare e/o parità dallo stato di due pioni
prodotto dal decadimento della ?
Richard Dalitz
In emulsioni ad alta quota (palloni)
In camere a nebbia ad alta quota (montagna)
Dalitz plot
40
Ma è vero che la parità si conserva nei
decadimenti prodotti da interazione debole ?
Nessuna prova sperimentale !
Tsun Dao Lee Chen Ning Yang(1956)
41
No, la parità non si conserva nelle interazioni
deboli !
Chien-Shiung Wu

• n ? p e-
• ? m ? e
• L0 ? p p-

Richard GarwinLeon Lederman
42
Abraham Pais
"Con l'arrivo della primavera del 1957 risultò
del tutto certo che parità P e coniugazione di
carica C sono violate nei processi dovuti a
interazioni deboli ovunque si guardasse. E
inoltre gli effetti erano macroscopici"
Sembrava invece confermata l'invarianza PC,
ovvero la simmetria rispetto a riflessione
spaziale e contemporanea coniugazione di carica.
Nel 1964, arriverà da Brookhaven che anche questa
simmetria viene violata nel decadimento dei
mesoni K neutri.
43
L'arrivo di "Camus(1954)
Il nuovo apparato sperimentale dellEcole
Polytechnique al Pic du Midi trova ottima
evidenza dellesistenza di una particella Km Km
? m n (m ? 935 me) certamente diversa
dalla k degli emulsionisti di Bristol (che decade
in tre corpi e ha massa maggiore)
Charles Peyrou
Bernard Gregory
44
Quanti mesoni K carichi?
Simbolo Decadimento Massa
t, t 3p 966 me
? (?) p p0 ? 970 me
k m ?0 ?0 1125 me
Km m n 940 - 950 me
45
Si può semplificare?
Pur mantenendo la differenza tra t e ?, sembrava
che si potesse ricondurre tutto a due mesoni
K 3p ? ? 2p
t/Km m n Ma la k, con la
sua grande massa non sembrava potesse rientrare
in questo schema semplificato.
46
La sfida degli emulsionisti europeiRisolvere
il problema una volta per tutte prima dell'arrivo
degli acceleratori americani
47
L. Leprince-Ringuet
"Dobbiamo far presto, dobbiamo correre senza
rallentare il ritmo perché siamo incalzati dalle
macchine Sappiamo che potremmo andare a
riposarci in campagna per sei mesi e al nostro
ritorno sapremo da Brookhaven la verità sui
problemi di cui abbiamo discusso
Ci troviamo, credo, nella posizione di un gruppo
di alpinisti che scalano una montagna molto alta
e ci inerpichiamo in condizioni sempre più
difficili. Ma non possiamo fermarci a dormire
perché, proveniente dal basso, sotto di noi, si
sta sollevando una marea, un'inondazione, un
diluvio che cresce continuamente e ci costringe a
salire sempre più in alto."
48
Un problema di range
In un decadimento a due corpi (Km) con una
particella neutra di massa nulla (n), lo spettro
dei muoni è sostanzialmente monoenergetico,
corrispondente a un range 90 gr/cm2. E quello
che hanno osservato al Pic du Midi e a Echo Lake
(MIT). In un decadimento a tre corpi (k), lo
spettro è continuo, e così anche la distribuzione
dei range dei mesoni. E quello che hanno
osservato gli emulsionisti di Bristol.
49
Il G-Stack experiment(ottobre 1954)
Per osservare un muone che attraversa 100
gr/cm2 di materia prima di decadere occorrono
almeno 20 cm di emulsione nucleare.
C. Powell e G. Occhialini
50
Lavventura degli esperimenti in pallone(1952,
1953, 1954)
51
I risultati del G-Stack
Decadimento Frequenza () Massa (me)
Km ? m n 50 - 70 954 - 977
? (?) ? p p0 15 - 30 966 - 972
Kb ? e ?0 ?0 ? 9
k ? m ?0 ?0 ? 3
52
Un unico mesone K
Si conferma così la sostanziale identità di t e
Km e quindi, dopo la soluzione del puzzle ?-t e
larrivo dei primi risultati dal Bevatrone di
Berkeley, di tutti i mesoni K.
53
Arriva il tempo dei teorici e delle grandi
macchine.La grande stagione dei "cosmiciens"
nella fisica delle particelle elementari è
terminata