Fisica delle particelle e Modello Standard

1. Fisica delle particelle e Modello Standard • Cosa studia?La fisica delle particelle affronta le domande che gli scienziati si sono posti, e si pongono tuttora, sui componenti base della materia.

2. Si occupa dell’infinitamente piccolo.Guarda ai componenti subatomici della materia e li utilizza per comprendere le origini del nostro Universo e per capire cosa accade tuttora al suo interno.

3. Come è nato il mondo? Di cosa è fatto? L’uomo sin dall’antichità si chiede di cosa fosse fatta la materia.

4. Le idee erano diverse. Terra, acqua, aria e fuoco. Atomi ( Democrito)

5. Ma il modello atomico emerge soltanto nel XIX secolo. Ci si chiese allora : Come è fatto l’atomo? Di cosa è fatto?

6. Alla fine dell’800’ furono scoperti gli elettroni, cariche negative che ruotavano attorno ad un nucleo neutro.Inizialmente, invece…

7. Successivamente fu ipotizzato un “modello solare”. • La meccanica quantistica si basa principalmente su :- Quantizzazione dell’energiaL’energia elettromagnetica è emessa e assorbita in quantità stabilite.- Principio di indeterminazione( Heisenberg )Non è possibile stabilire la posizione e la velocità di una particella. L’osservazione perturba sempre lo stato di un sistema. Possiamo calcolare soltanto la probabilità.- Dualismo onda-corpuscolo. Fu Bohr a porre le basi per la meccanica quantistica.“Il buon senso affinato con l’esperienza sensoriale non rivela la struttura profonda dell’universo”Si pone, quindi, in contrasto con la fisica classica.

8. Nella prima immagine è possibile captare la forma, ma non la velocità. Nella seconda avviene esattamente il contrario.

9. La quantizzazione è una conseguenza. Se gli elettroni potevano stare ovunque, con le loro orbite, lo spettro radiale sarebbe dovuto essere continuo. Linee spettrali nel visibile dell’Elio

10. A partire dagli anni 20 ci furono numerose scoperte. All’interno dell’atomo erano presenti dei nuclei, formati da due cariche opposte. Gli elettroni ( con carica negativa ) e i protoni ( con carica positiva )

11. Ma come è tenuto insieme il nucleo? Gli atomi non hanno carica.Per questo, a tenerli insieme, sono le componenti cariche di uno che si uniscono alle componenti cariche di un altro atomo.I nuclei, invece, sono tenuti insieme dalla forza nucleare forte.Si tratta di una delle quattro forze fondamentali, ed una delle tre che il modello standard prende in considerazione.- F. nucleare forte (tra quark e gluoni)- F. debole (decadimenti degli atomi)- F. elettromagnetica (tra atomi e molecole)- F. gravitazionale (che non rientra nel modello standard perché si applica solo a grandi masse)In particolare la forza debole ed elettromagnetica(Maxwell)vengono unificate nella forza elettrodebole.

12. Negli anni 60 si scoprì che i protoni ed i neutroni erano composti a loro volta da QUARK. Particolare attenzione è quindi dedicata ai BOSONI, i mediatori per eccellenza. Si dividono in bosoni vettoriali e bosoni di Gauge->- fotoni (interazione elettromagnetica)- gluoni (interazione forte, tra quark)- Bosoni W+ W- Z (interazione debole)Furono scoperti nel 1983-84 da Carlo Rubbia. Questi interagiscono tra loro scambiandosi “mediatori di forze deboli”, ovvero i BOSONI.I quark che formano i protoni ed i neutroni sono gli UP ed i DOWN.I protoni hanno uno schema UUD.I neutroni UDD.Sono quindi BARIONI, ovvero composti da tre quark.Il modello standard si occupa proprio delle particelle e delle loro interazioni.Decadono, si annichilano e reagiscono alle forze legate alla presenza di altre particelle.

13. Di cosa è fatta la materia? Da FERMIONI (con spin ½) i fermioni principali sono raggruppati in tre famiglie, in ciascuna delle quali compaiono solo alcuni tipi di quark e di leptoni : prima famiglia composta dai quark e dai leptoni di massa minore, contiene i due quark up e down, l'elettrone, il suo neutrino, e le relative antiparticelle; seconda famiglia contiene i quark charm e strange, il muone e il neutrino muonico, con le rispettive antiparticelle, tutti elementi non presenti nella materia ordinaria, ma ottenuti mediante reazioni indotte nei più potenti acceleratori di particelle; terza famiglia contiene i quark top e bottom, la particella tau e il neutrino tauonico, con le rispettive antiparticelle, anch’essi elementi non appartenenti alla materia ordinaria.

14. I fermioni sono soggetti al principio di esclusione di Pauli. ( lo spin è ½ o multipli )I bosoni, invece, hanno spin intero, per cui non sono coinvolti nel principio. Sono i responsabili anche della nostra stessa vita, in quanto si occupano dell’aggregazione di materia.I bosoni si suddividono in quattro categorie : prima categoria : gli 8 gluoni che mediano l'interazione nucleare forte studiata nella teoria della cromodinamica quantistica (QCD); seconda categoria : il gravitone, che i fisici ritengono responsabile della mediazione della forza gravitazionale, sebbene la sua esistenza non sia stata ancora confermata sperimentalmente; terza categoria : i fotoni, che mediano l'interazione elettromagnetica; quarta categoria : le particelle W e Z che trasportano la forza nucleare debole, della quale, insieme alla forza elettromagnetica, si occupa la teoria elettrodebole, che richiede l’introduzione dell’ipotesi della particella di Higgs, ossia il bosone mediatore di tale interazione.Nel campo di Higgs (scalare) dovrebbero avvenire diverse interazioni con diverse intensità che provocano la rottura spontanea della forza elettrodebole.Il famoso “bosone di Higgs” dovrebbe fornire massa alle particelle. Il bosone Z ha massa, infatti, mentre il fotone no poiché si muove alla velocità della luce.

16. In particolare il bosone Z è responsabile della diffusione neutrino-elettrone. Dove per diffusione intendiamo il processo in cui una delle due particelle cambia direzione e converte la sua energia cinetica in una coppia particella-antiparticella e quanti γ.Le cariche elettriche sono sorgenti di pacchetti di energia. • La diffusione e l’annichilamento sono dovute alla forza elettromagnetica che deriva dallo scambio di questo fotone “virtuale”I bosoni W+ e W- sono invece emessi, o assorbiti, se i quark sono rispettivamente trasformati da u a d, e da d ad u. ( Decadimento Beta)

18. Esiste un mondo di particelle elementari dove ad ogni particella di spin ½ corrisponde una particelle di spin 1 (e viceversa)  SupersimmetriaMolto lavoro teorico ma finora nessuna conferma sperimentale!La fisica ha bisogno di conferme sperimentali Le particelle sono in realtà delle corde  Teoria delle stringhe Viviamo in un mondo che ha piu’ di 3+1 dimensione ma noi vediamo solo queste. Si cercano effetti dovuti all’esistenza di altre dimensioni (extra-dimensions). Sembra una strada promettente per unificare la gravitazione insieme alle altre forze.

19. Generoso Sonia V I