Il Modello Standard

1. Il Modello Standard Domizia Orestano Università Roma Tre Master Classes 9/3/2005 Master Classes @ Roma Tre

2. Sommario • La ricerca dei costituenti elementari della materia • Tre famiglie di mattoni elementari • Quattro forze fondamentali: mediatori e cariche • L’antimateria e l’annichilazione materia-antimateria • Decadimenti (Z0 e t) Master Classes @ Roma Tre

3. Gli atomi John DALTON (1766-1844) per spiegare le osservazioni sul comportamento dei gas formula l’ipotesi che gli elementi siano composti di particelle indivisibili: gli atomi. Dimitri MENDELEÏEV (1834-1907) organizza tutti gli elementi allora noti in uno schema che mette in evidenza la periodicità delle loro proprietà. L’esistenza di una simmetria è un indicatore di una possibile struttura interna! Master Classes @ Roma Tre

4. La struttura atomica • 1895-1900: • scoperta dei raggi X (W.Roentgen) • scoperta della radioattività naturale (P.&M. Curie, H.Becquerel) • scoperta dell’elettrone (J.J.Thomson) • L’atomo non è indivisibile! • Il modello atomico di Thomson: • Un numero Z di elettroni • Una distribuzione continua di cariche positive • L’esperimento di Rutherford: ? Master Classes @ Roma Tre

5. Il modello atomico di Bohr • Un nucleo carico positivamente (+Ze) in cui si concentra praticamente tutta la massa, circondato da una nuvola di Z elettroni. • L’atomo e` in gran parte “vuoto”:in un modello in scala in cui il nucleo è un pallone da calcio, gli elettroni si muovono sulla parte piu` lontana delle tribune NB: Se il Colosseo fosse “pieno”, misurerebbe… 18 mm !!!! Master Classes @ Roma Tre

6. Il nucleo atomico • Esistenza degli isotopi (elementi con lo stesso numero di elettroni ma diversa massa) • Problemi con il momento angolare intrinseco (spin) dei nuclei Ma in presenza della sola forza elettromagnetica non potrebbe essere stabile! Anche il nucleo è un sistema composto da Z protoni e da (A-Z) neutroni E’ tenuto insieme dalla interazione forte. Master Classes @ Roma Tre

7. Una miriade di nuove particelle • Dagli anni ’30 in poi sono state scoperte tantissime nuove particelle, nelle interazioni dei raggi cosmici e dei fasci prodotti dagli acceleratori • Si distinguono due categorie principali • Leptoni, che non interagiscono in modo forte • Adroni, che risentono della forza forte • Gli adroni possono essere classificati in sistemi dotati di simmetrie • Anche in questo caso potrebbe esserci una struttura interna! Master Classes @ Roma Tre

8. massa Materia ordinaria I mattoni elementari: quark e leptoni • Modello a quark introdotto per giustificare le simmetrie osservate. Carica elettrica frazionaria. Tre stati diversi (colori) per ogni quark. Adroni composti da 3 quark o da coppie quark-antiquark. • Non si osservano quark liberi: sono confinati all’interno degli adroni • Sia per i quark che per i leptoni sono presenti tre famiglie o generazioni apparentemente con le stesse proprietà ad eccezione della massa Master Classes @ Roma Tre

9. I costituenti della materia taglia in atomi taglia in metri atomo Lo spazio è quasi completamente vuoto: sono le forze che realizzano la solidità degli oggetti nucleo nucleone quark/elettrone (al max) Master Classes @ Roma Tre

10. Le forze o interazioni Tutte le forze osservate in natura sono riconducibili a • 4 interazioni fondamentali • Mediate dallo scambio di particelle • Responsabili • della coesione della materia • del suo decadimento L’interazione avviene grazie allo scambio di particelle Intensità: 10-38 10-5 10-2 1 Master Classes @ Roma Tre

11. Le cariche • L’intensità di una interazione tra particelle dipende dalla costante di accoppiamento (carica) tra queste e la particella mediatrice 3 Master Classes @ Roma Tre

12. Antiparticella • Ipotesi formulata da DIRAC (1931) • Un oggetto con stesse caratteristiche della particella corrispondente ad eccezione della carica elettrica che cambia segno (e dei momenti magnetico ed elettrico) • ANDERSON scopre l’antiparticella dell’elettrone, il positrone, nel 1932 • Tutte le particelle hanno un’antiparticella (e+, m+, n, p…) che in alcuni casi coincide con la particella stessa (p0, g) Master Classes @ Roma Tre

13. Annichilazione • Negli anelli di collisione vengono fatti incontrare fasci di elettroni e di positroni (o di protoni). • L’interazione di una particella con la sua antiparticella porta alla loro annichilazione ovvero al trasferimento di tutta la loro massa e la loro energia cinetica ad uno stato virtuale, ed in particolare ad un fotone o ad uno Z0. A LEP l’energia dei fasci è stata scelta per produrre bosoni Z0 reali. • Dopo un tempo molto breve lo stato virtuale produce nuovamente una coppia particella-antiparticella. Master Classes @ Roma Tre

14. Decadimenti • Quasi tutte le particelle elementari sono instabili • Decadono in particelle di massa inferiore con tempi caratteristici che dipendono dall’interazione responsabile della disintegrazione • Esempio: decadimento del K+ in p++p0 osservazione interpretazione Master Classes @ Roma Tre

15. Decadimenti dello Z0 • Nel misterioso mondo quantistico in cui vivono le particelle, ogni singola particella Z deve decadere, ma è impossibile sapere in anticipo in quale tipo di particelle decadrà. Tutto ciò che si può dire è che ha una certa probabilità di decadere in un certo tipo di particelle e le frequenze dei diversi tipi di decadimento possono essere calcolate teoricamente nel Modello Standard • Una particella Z può decadere in: • due elettroni (Z0→ e+ + e- ) • due muoni (Z0→ m+ + m-) • due particelle tau (Z0→ t+ + t- ) • due neutrini (Z0→ n+ n) (n=ne,nm,nt) • due quark (Z0→ q+ q ) (q=u,d,c,s,b ma non t che è troppo pesante) ~3,3 % ~3,3 % ~10 % ~3,3 % INVISIBILE! ~20 % ~70 % Master Classes @ Roma Tre

16. Decadimenti del t ~18 % • Decadimenti deboli mediati dallo scambio di un bosone W • t- → m-+ nm + nt • t- → e-+ ne+ nt • t- → h-+ng+ nt • t- → h-h+h-+ ng+ nt (h indica un generico adrone) • In un evento Z0→ t+ + t- si hanno 2 t che decadono indipendentemente e si possono avere stati finali con • 2 elettroni • 2 muoni • 1 elettrone e 1 muone • 1 elettrone e adroni • 1 muone e adroni • adroni ~18 % ~49 % ~15 % Master Classes @ Roma Tre

17. 3 famiglie • Gli esperimenti LEP hanno misurato la probabilità che una Z decadesse producendo particelle visibili nel rivelatore in funzione dell’energia di collisione elettrone-positrone. • Le tre linee colorate corrispondono alle previsioni della teoria per 2, 3 e 4 famiglie di particelle. • I dati sono in ottimo accordo con la curva per tre famiglie. • Se le nostre teorie sono corrette, allora le tre famiglie di particelle che già conosciamo sono già tutto quanto c’è da conoscere. Ciò che non ci dice, tuttavia, è perché la natura abbia scelto di fare due copie della famiglia fondamentale di particelle... Master Classes @ Roma Tre