Introduzione alla Fisica delle Particelle Elementari

1. Introduzione alla Fisica delleParticelle Elementari Masterclass 2006

2. Belluno, 1° marzo 2006Liceo Scientifico “Galilei” 8ne

3. Riassunto della lezione • Introduzione: generalità, storia, cos‘è la Fisica delle Particelle Elementari; • Quali sono le Particelle Elementari; • Le interazioni fondamentali, il Modello Standard; • Verifiche sperimentali del Modello Standard; • Problemi aperti.

4. La Fisica delle particelle affronta le domandefondamentali della storia del pensiero: • Come funziona l’Universo ? • Da dove nasce ? • Come evolve ? • Quali sono i componenti “fondamentali” della materia? • Come “si muovono” ? • Che cosa “li muove” ?

5. Il fisico come filosofo naturale • Rispondere a queste domande non e’ semplice, occorre individuare: • i componenti fondamentali della materia ; • - le forze che ne governano il comportamento.

6. La Rivoluzione Greca • Circa 2500 anni fa i filosofi greci • cominciarono a chiedersi: • “di che cosa e’ fatto il mondo?” • E cercarono riposte usando la logica • – Talete di Mileto (600 AC): acqua … • – Anassimene: aria … • – Pitagora: numeri … • – Eraclito: fuoco …

7. – Empedocle: • Quattro elementi: Acqua, aria, terra, fuoco • Uniti o separati da forze “morali” (amore e odio)… – Democrito (~400 a.C.): • Tutto costituito da particelle invisibili e indivisibili: atomi • Hanno peso e forma diversa e si combinano per formare nuove sostanze

8. Dall’Alchimia alla Chimica (1780 - 1870) – Classificazione degli atomi in base alle proprieta’ chimiche

9. Mendeleev: evidenza di una “periodicità” Indicazioni di una struttura comune degli elementi

10. Inizi del Novecento Sembra che abbiamo trovato proprio gli atomi di Democrito Come procedere? • Importanti leggi guida • Sviluppo di Relatività e Meccanica quantistica • Il ruolo guida della matematica • Il contributo di personaggi geniali

11. Leggi di conservazione In ogni sistema fisico isolato, si conservano: • L’energia totale (cinetica+potenziale+cost) • La carica elettrica totale • La quantità di moto totale (vettore) • Il momento angolare totale (vettore) Teorema di Emmy Nöther: ad ogni invarianza di un sistema fisico corrisponde una legge di conservazione; quindi: ad ogni simmetria (fisica o matematica) del sistema farà riscontro una quantità conservata.

12. La velocità della luce • La velocità della luce nel vuoto, c=3x108 m/s, è la stessa in TUTTI i sistemi di riferimento ed è la massima raggiungibile da una particella o da un segnale fisico. • Ne consegue che gli intervalli spaziali s e temporali t non sono più gli stessi se misurati in diversi s.r.i. (dilatazione dei tempi, contrazione delle lunghezze, relatività della simultaneità). • Il tutto si può dedurre dalle già note Trasformazioni di Lorentz dello spazio-tempo

13. L’energia relativistica E=mc2 • E = mc2 Nuove quantità invarianti: • I2=(c2t2 - x2 - y2 - z2), intervallo spaziotemporale tra due eventi • p2=(E2/c2 –px2 - py2 - pz2), quadrimpulso della particella • E2 - p2c2 = m2c4

14. La Meccanica quantistica • Sviluppata tra il 1900 e il 1926 • Descrive il mondo a livello atomico (e la luce) in un modo imprevedibile per un fisico classico • Contributo di grandi personaggi: Planck, Einstein, Bohr, de Broglie, Schrödinger, Heisenberg, Born, Dirac…

15. Enrico Fermi (1901-1954) • Fermilab a Chicago • 1 fermi = 1 fm = 10 -15 m (raggio di un protone) • Fermio (elemento chimico con Z = 100) • Teoria del decadimento beta di Fermi • Statistica di Dirac-Fermi, (si riferisce ai fermioni) • Costante di Fermi • Gas di Fermi (gli elettroni di conduzione si comportano come un gas rarefatto) • Energia di Fermi (conduzione elettrica nei metalli) • Livello di Fermi (conduzione elettrica nei metalli) • Velocità di Fermi (conduzione elettrica nei metalli) • Fermioni (bosoni)

16. Ruolo della Matematica • Sempre più importante • Sempre più sofisticata • Sempre più difficile • Una guida sicura • Spiegazioni e previsioni • Simmetrie

17. Che cosa vuol dire elementare? • Elementare = privo di struttura, non composto da altri oggetti piu' piccoli; • Elementare = alla base di tutto cio' che ci circonda, tutte le interazioni che osserviamo in Natura sono esprimibili tramite le interazioni dei costituenti elementari o fondamentali; • Come facciamo a sapere se un oggetto e' elementare oppure no?

18. L’elettrone • La scoperta di J.J. Thomson, 1897 • L’esperimento di Millikan, 1911 • Proprietà particellari “classiche”: • Massa: 0,511 MeV/c2 = 1 me • Carica: -1,602 x 10-19 C = - 1 e • Proprietà ondulatorie “quasi classiche”: • Energia E = h f • Quantità di moto o impulso p = h/ • Proprietà quantistiche: • Momento angolare orbitale L = nh • Spin s = ½ • Numero leptonico L = 1

19. Situazione attuale • Per quanto ne sappiamo oggi, l’elettrone è puntiforme e non mostra indizi di struttura interna: è davvero elementare

20. L’atomo è fondamentale? Come osservarlo? • Microscopio? La luce 'ordinaria' non va bene: la sua lunghezza d'onda (~0.5 m) e' molto maggiore delle dimensioni degli atomi (~1 nm); • Dobbiamo utilizzare delle sonde sufficientemente piccole e penetranti.

21. L’esperimento di Rutherford (1910) • 'Proiettili': particelle alfa emesse da una sorgente radioattiva; • 'Bersaglio': una sottile lamina d'oro; • Metodo sperimentale: misura dell'angolo di deflessione delle particelle alfa dopo l'attraversamento della lamina d'oro;

22. Risultato sorprendente La maggior parte delle particelle alfa passava attraverso la lamina senza subire notevoli deflessioni, come previsto da modello di Thompson... ...ma alcune particelle alfa venivano deflesse di angoli elevati, fino quasi a 180° Interpretazione del risultato: l'atomo e' costituito da un nucleo di carica positiva molto piccolo (10.000 - 100.000 volte rispetto alle dimensioni dell'atomo) e gli elettroni orbitano attorno ad esso.

23. Il nucleo è fondamentale? • Restò allora da approfondire l’indagine sul nucleo atomico: capire se esso fosse divisibile e, se tale, quali forze ne impediscano la disgregazione. • Fondamentale fu l’osservazione, lo studio e infine la comprensione dei meccanismi della radioattività • Intorno al 1926, la presenza nel nucleo di particelle positive, i protoni, in eguale numero rispetto agli elettroni, era accertata. Si osservava tuttavia una certa non linearità fra i pesi ed i numeri atomici (Z), colmabile solo postulando la presenza di una seconda particella elettricamente neutra, ma di massa quasi eguale a quella del protone. • La prima osservazione diretta del neutrone avvenne nel 1932.

24. Un nuovo livello • 1897 scoperta dell’elettrone • 1919 scoperta del protone • 1930 Pauli postula l’esistenza del neutrino, osservato nel 1956 • 1932 scoperta del neutrone Abbiamo trovato le particelle elementari, tutto risolto? …oppure no?

25. La potenza del modello Chemistry can be understood in the physics of 3 particles (proton, neutron and electron), and the influence of the electromagnetic force. Nuclear physics can be understood in the physics of 4 particles (proton, neutron, electron and electron neutrino), and the influence of the strong and weak nuclear forces together with the electromagnetic force. 

26. La Fisica delle Particelle Elementari • • La Fisica delle Particelle Elementari, dicevamo, • tenta di rispondere alle seguenti domande fondamentali: • Quali sono i componenti ultimi della materia? • Come si muovono? • Che cosa li muove? • Di che cosa è fatto l’Universo? • Come ha fatto l’Universo a diventare quello che è? • • La risposta a queste domande viene ricercata tramite un'indagine teorica e sperimentale degli oggetti piu' piccoli a noi accessibili • • Qual e' il suo 'laboratorio'? • raggi cosmici • acceleratori di particelle

27. Microcosmo e macrocosmo • L'infinitamente piccolo si sposa con l'infinitamente grande... • Nei primissimi istanti dell'Universo, molecole, atomi e nuclei atomici non esistevano. Il tutto era un brodo primordiale di particelle che interagivano e si annichilivano tra di loro; • Comprendere le interazioni tra le particelle nei primissimi istanti di vita dell'Universo e' fondamentale per capire la struttura del nostro Universo; • Nuovo campo di ricerca: la Fisica Astro-Particellare...

28. Indizi dell'esistenza di un mondo più vasto... • Scoperta del muone (), 1937: una nuova particella • presente in abbondanza nei raggi cosmici che • non si sapeva dove collocare; • Scoperta del positrone (e+) 1933: questo risultato era previsto dall'equazione di Dirac • formulata pochi anni prima: ad ogni particella corrisponde un'antiparticella • avente massa e spin uguali

29. Una sorgente naturale di particelle • I fisici delle particelle scoprirono ben presto che in natura vi era una copiosa sorgente di particelle di alta energia: i raggi cosmici • I raggi cosmici sono particelle cariche di alta energia, soprattutto protoni, che provengono dallo spazio e arrivano fino alla superficie atmosferica della terra. Collisioni fra raggi cosmici e molecole di aria avvengono continuamente … • Lo studio delle interazioni dei raggi cosmici porto’ alla scoperta di un grande numero di nuove particelle: – 1931 - Il positrone (e+) – 1936 - il muone () – 1947 - Pioni, kaoni, iperoni…

30. Acceleratori • Nel 1931 Ernest Lawrence costruisce la prima macchina acceleratrice che impiega un campo magnetico per spingere le particelle in un'orbita a spirale di raggio crescente con l'energia

31. Esperimenti agli acceleratori • Fascio di particelle cariche (protoni o elettroni) accelerato contro un bersaglio fisso: produzione di nuove particelle e studio delle proprieta' del bersaglio (cfr. Rutherford); • due fasci di particelle vengono fatti collidere uno contro l'altro: massima efficienza per la produzione di particelle molto piu' massicce dei proiettili usati (E = mc2!); • L'uso degli acceleratori di particelle e' di fondamentale importanza per lo sviluppo dell'indagine sperimentale: permette di superare i limiti di energia ed intensita' posti dalla natura dei raggi cosmici.

32. Una valanga di nuove particelle • Con i nuovi acceleratori di particelle e nuovi rivelatori (camera a bolle) a disposizione i fisici negli anni 1950 scoprirono circa 200 particelle. Per identificare queste particelle, le hanno chiamate con i nomi delle lettere degli alfabeti greco e latino. • Naturalmente, le hanno classificate in: mesoni, iperoni,... a seconda della loro massa e delle modalità di decadimento.

33. Un paziente lavoro di catalogazione

34. Come procedere? • Le nuove particelle sono tutte instabili: hanno una vita media compresa fra 10-6 s e 10-23 s; • Cosi' tante particelle non possono essere tutte fondamentali, ci deve essere qualcosa sotto... ; • Per trovarlo puo' essere utile ripercorrere la strada compiuta da Mendeleev: ricerca di regolarità che diano qualche indizio su una struttura interna a queste particelle

35. Come nasce il Modello Standard • The Standard Model Theory (SM) of particle physics provides a framework for explaining chemistry and nuclear physics (low energy processes). • It additionally provides an explanation for sub-nuclear physics and some aspects of cosmology in the earliest moments of the universe (high energy processes).

36. Un po’ di ordine! Nel 1961 Gell-Mann & Ne’eman ebbero per la fisica delle particelle lo stesso ruolo di Mendeleev 100 anni prima con gli atomi “fondamentali”

37. Dall’ordine ai costituenti fondamentali • Proprio come l’ordine della tavola periodica era dovuto ai tre componenti fondamentali, cosi’ Gell-Mann e Zweig proposero che tutti gli “adroni” fossero costituiti da tre oggetti che vennero chiamati “quarks”: UP, DOWN, STRANGE I quark hanno cariche elettriche pari a 2/3, -1/3. -1/3 della carica dell’elettrone p uud Δ++ uuu K+ us n udd Δ+ uud K0 ds π+ ud Δ0 udd K- su π0 uu Δ- ddd K0 sd π- du Ω- sss

38. Il quark incanto charm • Il quark incanto (c) fu introdotto nel 1974 per spiegare alcune particolarità di una nuova particella allora scoperta, il mesone J (o Ψ). Cercando di costruirla con i quarks allora disponibili, u d s, ci si accorse che era impossibile. Barioni con spin = 1/2 Barioni con spin = 3/2

39. I quarks Top e Bottom • 1977: scoperta del b • 1994: scoperta del t Ci sono 5 ordini di grandezza fra la massa del quark piu’ leggero (up) e quello piu pesante(top)!

40. Dove sono i quarks? • Questa descrizione e’ molto interessante, ma i quark dove sono ? • Proviamo a ripetere l’esperimento di Rutherford ad energie MOLTO piu’ alte … elettroni protoni Gli esperimenti confermano la loro esistenza (ma i quarks liberi non esistono).

41. Fermioni o bosoni? 1. Particelle con spin semintero sono chiamate fermioni. Obbediscono al Principio di esclusione di Pauli • Esempi: (tutti i leptoni e i quarks), elettrone ½, protone ½, neutrone ½, neutrino ½, muone ½, (quarks) ½, (leptoni) ½ 2. Particelle con spin intero sono chiamate bosoni. Qualsiasi numero di bosoni può essere assegnato a uno stesso stato quantico. Sono “socievoli” e producono un “condensato” di bosoni • Esempi: fotoni 1, gluoni, W e Z, Gravitone, atomi con spin zero (elio), pioni 0, (tutti i mediatori delle forze)

42. Adroni o leptoni? 1. Adroni: particelle su cui agisce la forza forte (protoni, neutroni, pioni) • Alcuni sono mesoni e bosoni, per esempio il pione • Altri sono barioni e fermioni, per esempio il protone e il neutrone. 2. Leptoni: particelle su cui non agisce la forza forte • Esempi: Elettroni, muoni, tauoni, neutrini.

43. Particelle o antiparticelle? • • Per ogni particella (materia) c'è la corrispondente antiparticella (antimateria). – Un'antiparticella è identica alla sua particella sotto ogni aspetto, tranne che per la carica, che è opposta. – Per esempio: il protone ha carica elettrica positiva, e l'antiprotone ha carica elettrica negativa; ma hanno la stessa identica massa, perciò sono soggetti alla gravità nella stessa identica maniera. • Quando una particella e la sua antiparticella si incontrano, si annichilano in energia pura.

44. Quarks I Quark sono 6 (+ 6 antiquark) possono assumere 3 stati quantici chiamati colore, hanno carica +2/3 (u, c, t) e -1/3 (d, s, b)

45. Gli Adroni • Si dividono in: 1. Mesoni (spin intero) 2. Barioni(spin semidispari) • sono privi di colore

46. I Leptoni • I Leptoni sono 6 (+ 6 antileptoni) • sono privi di colore, • hanno carica 0 (νe, νμ, ντ) e -1 (e, μ, τ) • Il leptone carico più conosciuto è l'elettrone (e). Gli altri due leptoni carichi sono il muone (μ) e il tau (τ) – Muone e tau sono repliche dell’elettone con massa piu’ grande • I leptoni neutri si chiamano neutrini: – c’e’ un neutrino corrispondente a ogni leptone carico – hanno massa molto piccola (ma non nulla)

47. Le Forze • L'universo che conosciamo esiste perché le particelle fondamentali interagiscono: – decadono – si annichilano – reagiscono a forze legate alla presenza di altre particelle (per esempio nelle collisioni). • Ci sono quattro interazioni (forze) tra le particelle: – Gravita’ – ElettroMagnetica – Forte – Debole

48. I mediatori di forza • Per risalire alla natura delle forze bisogna studiare le interazioni fra particelle materiali • Consideriamo la vignetta: – Il giocatore ha afferrato un pallone invisibile e viene spinto indietro dall’impatto. – il pallone non e’ visibile, ma e’ visibile l’effetto della sua presenza

49. I mediatori di forza • Tutte le interazioni (o forze) che riguardano le particelle materiali sono dovute ad uno scambio di mediatori di forza. – Riprendendo l'immagine di prima: • i giocatori == particelle materiali • pallone == particella mediatrice di forza. • Quelle che noi chiamiamo comunemente "forze" sono gli effetti dei mediatori di forza sulle particelle materiali.

50. Gravità • La forza gravitazionale è probabilmente la forza che ci è più familiare: – non è compresa nel Modello Standard perché i suoi effetti sono piccolissimi nei processi tra le particelle •Anche se la gravità agisce su ogni cosa, è una forza molto debole qualora le masse in gioco siano piccole •La particella mediatrice di forza per la gravità si chiama gravitone: la sua esistenza e’ prevista ma non e’ ancora stata osservata.