Higgs, il bosone sopravvissuto (ovvero quanto è

Higgs, il bosone sopravvissuto
(ovvero quanto è dura rompere una simmetria)
Dott. Alex Casanova1
1 Gruppo
Divulgazione Scientifica Dolomiti “E. Fermi”
Belluno 26/01/2013
A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”)
Il bosone di Higgs
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L’avvenimento scientifico dell’anno 2012 secondo Science
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Introduzione
Perché “particella soppravvissuta”?
Cosa significa?
Perché il bosone di Higgs è cosı̀ importante?
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La Simmetria
Definizione
Abbiamo una simmetria quando un oggetto
non cambia, è invariante, a seguito di una
trasformazione.
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La Simmetria nell’Architettura
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La Simmetria nell’Architettura
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La Simmetria nell’Arte
M. C. Escher (Leeuwarden, 17 giugno 1898 - Laren, 27 marzo 1972)
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La Simmetria nell’Arte
M. C. Escher (Leeuwarden, 17 giugno 1898 - Laren, 27 marzo 1972)
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La Simmetria in Matematica
La sfera è simmetrica per
rotazioni attorno ad un
qualsiasi asse passante per il
centro
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La Simmetria in Fisica
Schema di classificazione:
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La Simmetria di Gauge
Le simmetrie interne continue vengono definite simmetrie di gauge (calibro).
Conseguenze:
leggi di conservazione (conservazione
della carica elettrica, leptonica,
barionica,...);
regole di selezione.
Le simmetrie regolano i fenomeni naturali.
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Simmetrie di Gauge e Massa
Le simmetrie di gauge sono state applicate
con successo nello studio delle interazioni
fondamentali.
Conseguenze:
le interazione sono mediate da particelle
(mediatori delle forze);
i mediatori sono privi di massa;
il raggio d’azione dell’interazione è
infinito.
Problema: sperimentalmente l’interazione
debole agisce a corto raggio.
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Simmetrie di Gauge e Massa
Le simmetrie di gauge sono state applicate
con successo nello studio delle interazioni
fondamentali.
Conseguenze:
le interazione sono mediate da particelle
(mediatori delle forze);
i mediatori sono privi di massa;
il raggio d’azione dell’interazione è
infinito.
Problema: sperimentalmente l’interazione
debole agisce a corto raggio.
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Simmetrie di Gauge e Massa
Le simmetrie di gauge sono state applicate
con successo nello studio delle interazioni
fondamentali.
Conseguenze:
le interazione sono mediate da particelle
(mediatori delle forze);
i mediatori sono privi di massa;
il raggio d’azione dell’interazione è
infinito.
Problema: sperimentalmente l’interazione
debole agisce a corto raggio.
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Simmetrie di Gauge e Massa
Le simmetrie di gauge sono state applicate
con successo nello studio delle interazioni
fondamentali.
Conseguenze:
le interazione sono mediate da particelle
(mediatori delle forze);
i mediatori sono privi di massa;
il raggio d’azione dell’interazione è
infinito.
Problema: sperimentalmente l’interazione
debole agisce a corto raggio.
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Simmetrie di Gauge e Massa
Le simmetrie di gauge sono state applicate
con successo nello studio delle interazioni
fondamentali.
Conseguenze:
le interazione sono mediate da particelle
(mediatori delle forze);
i mediatori sono privi di massa;
il raggio d’azione dell’interazione è
infinito.
Problema: sperimentalmente l’interazione
debole agisce a corto raggio.
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La Rottura Spontanea della Simmetria
L’esempio di Yoichiro Nambu:
“Consideriamo una sbarra
elastica dritta posizionata
verticalmente. Ha una simmetria per
rotazione; appare uguale da ogni
direzione orizzontale lungo il quale la
osserviamo. Ma se applichiamo una
pressione crescente ad un estremo, la
sbarra si piegherà in qualche
direzione e la simmetria andrà persa.
La sbarra si potrà piegare in ogni
direzione essendo tutte equivalenti.”
Nobel Lecture, 2008 [1]
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La Rottura Spontanea della Simmetria
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La Rottura Spontanea della Simmetria
L’esempio della sfera:
posizionare un gancio su una
sfera significa rompere
spontaneamente l’iniziale
simmetria per rotazione.
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Il Meccanismo di Higgs
In cosa consiste il meccanismo
di Higgs?
Quali sono i suoi “ingranaggi
virtuali-matematici”?
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Il Meccanismo di Higgs
Il quadro storico tra il 1960 e il 1963:
Glashow: modello di unificazione dell’interazione debole con la forza
elettromagnetica basato su una particolare simmetria di gauge;
Nambu, Jona-Lasinio: primi modelli di rottura spontanea delle
simmetria;
Goldstone: la rottura spontanea delle simmetrie di gauge comporta
l’esistenza di particelle prive di massa (bosoni di Goldstone).
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Il Meccanismo di Higgs
Peter Ware Higgs (Newcastle upon Tyne, 29 maggio 1929)
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Il Meccanismo di Higgs
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Il Meccanismo di Higgs
Primo passo: introduzione di un nuovo campo (il campo di Higgs)
La curva rappresenta il
potenziale di Higgs
(profilo energetico).
La pallina, con il suo
movimento lungo il
profilo, rappresenta il
campo di Higgs con le sue
eccitazioni.
Il minimo della curva
rappresenta lo stato di
vuoto quantistico (minimo
energetico).
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Il Meccanismo di Higgs
Secondo passo: rottura spontanea della simmetria
Il potenziale di Higgs assume un profilo dove il minimo non è più simmetrico
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Il bosone di Higgs
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Il Meccanismo di Higgs
Secondo passo: rottura spontanea della simmetria
Il potenziale di Higgs assume un profilo dove il minimo non è più simmetrico
A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”)
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Il Meccanismo di Higgs
Secondo passo: rottura spontanea della simmetria
Il potenziale di Higgs assume un profilo dove il minimo non è più simmetrico
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Il Meccanismo di Higgs
Secondo passo: rottura spontanea della simmetria
Esistono ora infiniti stati di vuoto (minimo) collegati tra loro da una rotazione
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Il Meccanismo di Higgs
Secondo passo: rottura spontanea della simmetria
Scelto il “vuoto”, esistono due
tipi di eccitazioni:
eccitazioni massive di
risalita lungo le pendici del
profilo (bosone di Higgs);
eccitazioni prive di massa
di fondovalle (bosoni di
Goldstone).
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Il Meccanismo di Higgs
Terzo passo: generazione della massa
La massa dei mediatori delle forze si
genera attraverso l’assorbimento dei
bosoni di Goldstone.
Chi sopravvive, testimone del meccanismo? Il bosone di Higgs
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Il bosone di Higgs
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Il Meccanismo di Higgs
Terzo passo: generazione della massa
La massa dei mediatori delle forze si
genera attraverso l’assorbimento dei
bosoni di Goldstone.
Chi sopravvive, testimone del meccanismo? Il bosone di Higgs
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Simmetrie ed Interazioni
Nel 1967, Weinberg e Salam applicano il Meccanismo di Higgs al modello
elettrodebole di Glashow.
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Simmetrie ed Interazioni
L’unificazione delle forze e la rottura delle simmetrie di gauge.
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Conclusioni
Riassumendo:
il bosone di Higgs è sopravvissuto al Meccanismo di generazione delle
masse;
il bosone di Higgs è il testimone unico della rottura della simmetria
elettrodebole;
il bosone di Higgs è l’ultimo tassello che tiene in piedi la struttura del
Modello Standard;
trovare il bosone di Higgs significa dare un significato profondo alle
premesse del Modello: simmetria ed unificazione.
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Conclusioni
Riassumendo:
il bosone di Higgs è sopravvissuto al Meccanismo di generazione delle
masse;
il bosone di Higgs è il testimone unico della rottura della simmetria
elettrodebole;
il bosone di Higgs è l’ultimo tassello che tiene in piedi la struttura del
Modello Standard;
trovare il bosone di Higgs significa dare un significato profondo alle
premesse del Modello: simmetria ed unificazione.
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Conclusioni
Riassumendo:
il bosone di Higgs è sopravvissuto al Meccanismo di generazione delle
masse;
il bosone di Higgs è il testimone unico della rottura della simmetria
elettrodebole;
il bosone di Higgs è l’ultimo tassello che tiene in piedi la struttura del
Modello Standard;
trovare il bosone di Higgs significa dare un significato profondo alle
premesse del Modello: simmetria ed unificazione.
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Conclusioni
Riassumendo:
il bosone di Higgs è sopravvissuto al Meccanismo di generazione delle
masse;
il bosone di Higgs è il testimone unico della rottura della simmetria
elettrodebole;
il bosone di Higgs è l’ultimo tassello che tiene in piedi la struttura del
Modello Standard;
trovare il bosone di Higgs significa dare un significato profondo alle
premesse del Modello: simmetria ed unificazione.
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Conclusioni
Riassumendo:
il bosone di Higgs è sopravvissuto al Meccanismo di generazione delle
masse;
il bosone di Higgs è il testimone unico della rottura della simmetria
elettrodebole;
il bosone di Higgs è l’ultimo tassello che tiene in piedi la struttura del
Modello Standard;
trovare il bosone di Higgs significa dare un significato profondo alle
premesse del Modello: simmetria ed unificazione.
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Presente e Futuro
Articoli pubblicati:
0
CMS Collaboration.
“Observation of a new boson at a
mass of 125 GeV with the CMS
experiment at the LHC”.
First observations of a new particle
in the search for the Standard
Model Higgs boson at the LHC
Local p
ATLAS Collaboration.
“Observation of a new particle in
the search for the Standard
Model Higgs boson with the
ATLAS detector at the LHC”.
ATLAS
2011
20
111-12
1
s= 7
7-- 8 T
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1
10-2
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300
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145
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Expected
E
t d Signal
Si
l 1
400
00
500
00
mH [GeV
[ V]
www.elsevier.com/locate/physletb
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Presente e Futuro
First observations of a new particle
in the search for the Standard
Model Higgs boson at the LHC
Ancora molto da fare:
cercare segnali di nuova fisica
oltre il Modello Standard.
Local p
capire se si tratta realmente del
bosone di Higgs;
0
capire le proprietà di questa
nuova particella;
ATLAS
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Observed
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Expected
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Presente e Futuro
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Jokes
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Bibliografia I
Y. Nambu.
“Spontaneous symmetry breaking in particle physics: a case of cross fertilization”.
Nobel Lecture, 2008.
S. Weinberg.
“Conceptual Foundations of the Unified Theory of Weak and Electromagnetic Interactions”.
Nobel Lecture, 1979.
F. Englert and R. Brout.
“Broken Symmetry and the Mass of Gauge Vector Mesons”.
Phys. Rev. Lett. 13 (1964) 321.
P. W. Higgs.
“Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons”.
Phys. Rev. Lett. 13 (1964) 508.
G. S. Guralnik, C. R. Hagen and T. W. B. Kibble.
“Global Conservation Laws and Massless Particles”.
Phys. Rev. Lett. 13 (1964) 585.
ATLAS Collaboration.
“Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS
detector at the LHC”.
Physics Letters B 716 (2012) 1-29.
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Bibliografia II
CMS Collaboration.
“Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMS experiment at the LHC”.
Physics Letters B 716 (2012) 30-61.
INFN.
“Il bosone di Higgs”.
Asimmetrie 8 (Giugno 2009).
INFN.
“Simmetrie”.
Asimmetrie 11 (Aprile 2011).
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Le immagini
Pag. 7/37: immagine dal sito http://www.lescienze.it (Cortesia Maximilien Brice e Claudia Marcelloni/CERN).
Pag. 11/37: immagini dal sito http://www.mcescher.com.
Pag. 15/37: Copyright The Nobel Foundation 1979 (http://nobelprize.org).
Pag. 16/37: Copyright The Nobel Foundation 2008 (http://nobelprize.org).
Pag. 20/37: Babbage Difference Engine, dal sito http://people.uncw.edu/tompkinsj/112/texnh/handouts/historyHandout.html.
Pag. 21/37: immagine di sinistra dal sito http://it.wikipedia.org.
Pag. 21/37: immagine di destra credit AIP Emilio Segre Visual Archives, Physics Today Collection.
Pag. 22/37: Photograph Peter Tuffy, The University of Edinburgh.
Pag. 25/37: immagine tratta dal sito: http://www.nature.com.
Pag. 27/37: Copyright The Nobel Foundation 1979 (http://nobelprize.org).
Pag. 28/37: immagine dal sito http://scienzapertutti.lnf.infn.it.
Pag. 31/37: Credit CERN.
Pag. 32/37: Le firme dei protagonisti sono tratte dall’articolo: “First observations of a new particle in the search for the Standard Model Higgs
boson at the LHC”. Physics Letters B, 716 (2012). L’immagine è tratta dal sito http://en.wikipedia.org (Premiazione Premio Sakurai).
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Contatti
Sito internet: www.gdsdolomiti.org
Indirizzo e-mail: [email protected]
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