Fisica Particellare

Coordinatore: Cristina Biino

La fisica delle particelle elementari, detta anche “fisica delle alte energie”, studia i costituenti fondamentali della materia, le cosiddette particelle elementari, e le loro interazioni attraverso esperimenti che si avvalgono di macchine acceleratrici sempre più potenti.  Per la nota equivalenza massa-energia (E=mc^2), disporre di alta energia significa che è possibile “creare” particelle di massa sempre più elevata, e con proprietà nuove. Ciò è possibile solo utilizzando speciali apparecchiature note come “acceleratori di particelle”, i quali appunto consentono di accelerare particelle cariche a velocità e quindi energie elevatissime. Queste particelle vengono fatte collidere fra di loro e negli urti si possono produrre particelle subatomiche pesanti, non presenti in natura in condizioni ordinarie, che a loro volta decadono in altre particelle figlie. Dall’analisi di tali decadimenti è possibile risalire alle caratteristiche della particella madre. L’identificazione delle particelle che emergono dalle collisioni si fa tramite i rivelatori, cioè strutture composte da una serie di apparati che misurano le caratteristiche (energia, traiettoria) delle particelle stesse e ne determinano la tipologia.

Le macchine acceleratrici e gli esperimenti che misurano le particelle prodotte nelle collisioni sono apparati altamente complessi, al limite della tecnologia esistente. La ricerca e lo sviluppo per la messa in opera di questi programmi produce ricadute dirette sulla società, un esempio classico è il World Wide Web (WWW), nato per far comunicare efficientemente gli scienziati delle grandi collaborazioni scientifiche internazionali,  ma che è diventato uno strumento di comunicazione globale. Molte altre sono che le ricadute industriali e in campo medico, per es. gli strumenti di diagnostica avanzata (Risonanza Magnetica Nucleare, PET) e la cura dei tumori con la terapia adronica.

La teoria che definisce le nostre attuali conoscenze di fisica subnucleare è chiamata Modello standard delle Interazioni Fondamentali e ha conosciuto innumerevoli successi nel corso degli anni, per esempio la scoperta e lo studio delle proprietà del bosone di Higgs previsto come meccanismo con cui si genera la massa delle particelle. Per verificarne le predizioni ed estendere la comprensione della natura dell’infinitamente piccolo e la descrizione dell’Universo nei suoi primissimi istanti di vita gli esperimenti esplorano oltre alla frontiera dell’energia anche quella della luminosità. Utilizzano cioè gli acceleratori di particelle con fasci molto intensi per favorire il verificarsi degli eventi più rari e affinare in modo estremo le misure di precisione di questi eventi (per es. violazione della simmetria materia-antimateria).

Le collaborazioni che partecipano alla costruzione di questi apparati sono composte da centinaia o anche migliaia di fisici provenienti da istituti e laboratori di tutto il mondo. Si tratta di esempi di cooperazione internazionale in cui lavorano i migliori fisici del pianeta e in cui gli studenti e i giovani possono acquisire esperienze e conoscenze fondamentali. In questo contesto i ricercatori INFN di Torino partecipano con contributi di eccellenza e con incarichi di responsabilità alla realizzazione ed alle ricerche che si effettuano nei più importanti esperimenti di fisica delle particelle ai diversi acceleratori laboratori internazionali (BESIII a IHEP in Cina, BELLE2 a KEK in Giappone, CMS, COMPASS e NA62 al CERN di Ginevra).

Torino ha una tradizione di contributi importanti ad esperimenti in entrambe le frontiere, quella dell’energia e quella della luminosità: la misura dei parametri dei bosoni Z e W con l’esperimento DELPHI del CERN, la determinazione della struttura del protone con gli esperimenti ZEUS a DESY e COMPASS al CERN, l’osservazione della violazione di parità CP con gli esperimenti NA48 al CERN e BABAR a SLAC, la scoperta del bosone di Higgs con l’esperimento CMS al CERN.

Gli esperimenti

Per maggiori informazioni: Commissione Nazionale Gruppo 1