Modello Standard … e oltre

1. Modello Standard … e oltre Danilo Babusci INFN - Laboratori Nazionali di Frascati

2. Fisica delle Particelle Elementari(FdP) Si interessa del comportamento fisico dei costituenti fondamentali del mondo, ovvero di oggetti al contempo molto piccoli e molto veloci è l’arena naturale per l’esibizione simultanea della Meccanica Quantistica e della Relatività Speciale piccole dimensioni alte velocità

3. Campi Fondamentali Caratterizzazione delleproprietà di trasformazionedelle particellesottorotazionispaziali  Spin

4. Campi Fondamentali Quantitàdeterminatache rappresentailmomento angolare intrinsecodella particella (Idea intuitiva di spin:particella ruotante intorno ad un asse  falsa:oggetto puntiformenonpuò ruotare su stesso) Fermioni:spin semintero Campi suddivisi in 2 grandi categorie Bosoni:spinintero

5. Leptoni Quarks Campi Fondamentali Campi sono di 2 tipi Campi Materiali Fermioni a spin 1/2 Mediatori delle Interazioni Bosoni

6. Campo q/e m (GeV) e -1 5 x 10-4 e 0 < 3 x 10-9 1^ Famiglia u 2/3 3 x 10-3 d -1/3 6.8 x 10-3  -1 0.106  0 < 1.9 x 10-4 2^ Famiglia c 2/3 1.2 s -1/3 0.12  -1 1.78  0 < 18.2 x 10-3 3^ Famiglia t 2/3 174.3 b -1/3 4.3 Campi Materiali

7. Campi Materiali Dove sono il protone, il neutrone, i pioni, … ?? Esperimenti di diffusione di e-suped nmostrano che queste non sono particelle elementari, ma possiedono componenti interni: quarks(Gell-Mann, Zweig) • Caratteristiche essenziali deiquarks • carica elettrica frazionaria • carica dicolore ciascunsapore esiste in 3 versioni: rosso,verde,blu (antiquarksportanoanticolore)

8. Mesoni(e.g.+,-) coppie quark-antiquark - = {d, } + = {u, } Campi Materiali Regole di combinazione deiquarks: solo oggettibianchi, i.e. {RVB}oppure{colore – anticolore},acarica elettrica intera (o nulla) Esempio : Barioni (e.g.p,n)  tripletti di quarks p={u, u, d}n={d, d, u} Natura aborre stati di colore isolati: mai osservati quarks liberi

9. Interazioni • Gravitazione&E.M*.:familiari nella vita quotidiana(causa il raggio d’azione infinito) • Debole*:responsabile dellaradioattività (decadimento del neutrone np + e-+ e ) • Forte:inizialmente ritenutaresponsabile del legame nucleare emediata dal pione. Natura composta di p, n, interpretata comeresiduodell’interazione di colore tra quarks mediata da gluoni colorati (trasportanocolore-anticolore 8 combinazioni diverse) * sono in realtà manifestazioni di una stessa interazione:Elettrodebole (E.W.)

10. Interazione Carica R (cm) Forza Azione Interazioni 4 interazioni per spiegare tutto l’Universo

11. Interazione Mediatore Spin m (GeV) Interazioni

12. The Standard Model H ? Higgs boson Gravity ?

13. agiscono su classi diverse di particelle: quella di colore solo sui quarks FNewton • intensità completamente differenti 10-40 FCoulomb • mediateda campicon proprietà diverse Questioni Aperte ?4 invece di 1 ? così diverse • Interazioni ?Gravità così debole (a bassa energia) tra 2 e-:

14. ? Quarks & Leptoni G.U.Theory Questioni Aperte • ? 3 Famiglie mt  108mem 10-9me ? masse cosí diverse Qual’è la vera origine della massa ? Predizione scioccante: decadimento del protone il destino ultimo dell’Universo non prevede la materia

15. ? Bosoni & Fermioni Nuova simmetria Supersimmetria correlabosoni & fermioniper ognibosone(fermione)esistepartner supersimmetricofermionico(bosonico) esistenza di nuova forma di materia: particelle supersimmetriche soluzione problema dellamateria oscura?? (solo 4.5 % della materia dell’universo è in forma di particelle ordinarie) Questioni Aperte

16. e.m. debole gravità colore 60 e.m. 50 40 debole (Intensità)-1 30 20 colore 10 0 1 E (GeV) 102 1012 1014 1018 1016 Questioni Aperte + Supersimmetria Modello Standard G.U.

17. Higgs ? t unificazione E.W. - Colore unificazione E.W. W Scala di Planck particelle supersimmetriche ? e  c b 10-3 100 103 106 109 1012 1015 1018 E (GeV) Questioni Aperte • Problema gerarchico ? cosí distanti

18. Questioni Aperte • ? Gravità incompatibile con M.Q. ha a che fare con la “debolezza” della gravità ? • ? Spaziotempo ha3 + 1 dimensioni aggiunta di dimensioni spaziali extra attraverso cui si propaga solo la gravità, mentre le altre interazioni agiscono solo nello spaziotempo ordinario  soluzione problema gerarchico modifica della legge di Newton a piccole distanze

19. Questioni Aperte • Le particelle sono veramente puntiformi ? Teoria delle Stringhe ulteriore livello microscopico:particellenon sono puntiformi, mapiccoli(10-33 cm)anelli oscillanti diversi stati di oscillazione della stringaparticelle diverse

20. ? Stringhemembranep-dimensionali? teoria M Questioni Aperte Conseguenze della Teoria delle Stringhe: • spaziotempodi dimensione10+ 1 le altre 7dimensioni spaziali sono“arrotolate”su distanze 10-33cminosservabili alle energie a noi accessibili • risoluzioneconflittoM.Q.–Gravitazione Problema: manca la matematica !!

21. Astroparticle Physics Leggi d’interazioneuniversali(indipendenza da luogo e tempo)estrapolazione nel passato (e nel futuro) Biologia FdP Chimica Fisica Nucleare Astrofisica

22. ∞ t 0 T a 0 Era di Planck Quale Fisica ? Gravità Quantistica t ~ 10-43 s E ~ 1019 GeV

23. WMAP età dell’Universo ≈ 380,000 anni

24. Universo osservabile proviene da una regione piccolissima

25. La composizione dell’Universo