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. Probabilità Le leggi fondamentali della natura sono leggi di probabilità, non leggi di certezza • LaM.Q.è una teoria • chiara e quantitativa: le probabilità possono essere calcolate esattamente • indefinita e indeterminata:posso conoscere solo la probabilità che accada qualcosa, mai ciò che accadrà

4. Probabilità Dov’ è la novità rispetto al lancio della moneta ?? • La probabilità è : • d’ignoranza nel mondo macroscopico(fisica classica) • intrinseca alla struttura fondamentale della natura nel mondo microscopico Non importa con quanta precisione conosco le condizioni iniziali:è (in linea di principio) impossibile prevedere quando decadrà un atomo eccitato

5. Onde & Particelle luce elettroni metallo Mondo microscopico: onde e particelle appaiono come aspetti differenti della stessa cosa • Onda come Particella:effettofotoelettrico luce monocromaticaelettroni di energia definita

6. Onde & Particelle Einstein (1905) lucecomposta di quanti (fotoni) tutti di energiah  aumento intensità = aumento n. fotoni  aumento n. elettroni • Particella come Onda fenomenid’interferenza • Davisson & Germer (1927): esperimenti di interferenza e diffrazione con fasci di elettroni

7. Onde & Particelle N.B.– Luce:effetti diffrattivi solo se apertura fenditura  

8. Onde & Particelle h  p de Broglie:ad ogniparticella di massamed impulsop (= mv)corrispondeun’onda con • m = 80 kgcon velocitàv = 5 km/h ( 1.4 m/s) •   6 x 10-36 m  particella • elettrone nell’atomo di H:v  3 x 106 m/s •   2.4 x 10-10 m  dimensioni atomo  onda

9. Principio d’Indeterminazione Probabilità che l’elettrone si trovi nell’intervallo (x,x+dx) = |(x) |2 dx h h xp≥ 2π = Onda di probabilità distribuzione di probabilitàrelativa alla posizione dell’elettrone concetto di funzione d’onda(x)dell’elettrone: Non localizzabilità relazione tra le accuratezze ottenibili nella determinazione simultanea di posizione e impulso di una particella Principio d’Indeterminazione (Heisenberg)

10. Principio d’Indeterminazione Piccolo tempo d’esposizione forma SI - velocità NO Grande tempo d’esposizione forma NO - velocità SI

11. Principio d’Indeterminazione Et ≥ h Relazione d’indeterminazioneanche tra le variabili fisiche energia e tempo p = mv x = vt conoscenza accurata dell’istante in cui avviene un evento (tpiccolo)conoscenzaimprecisa della suaenergia(Epiccolo)

12. Campi Quantistici • L’aspettoprobabilistico sembra essere l’essenza ultima delle leggi fondamentali della natura • La fusione dei concetti di onda e particellarichiedono l’abbandono di alcune idee classiche: • Onda: rinuncia all’idea di un mezzo materiale che vibra e fornisce supporto alla propagazione • Particella: rinuncia all’idea della localizzabilità onda - particella campo quantistico

13. Interazioni tra Campi e- t e- e- e- e- e- x Fisica Classica Fisica Quantistica elettroni si avvicinano  mutua repulsione  rallentati e deviati e- emette cambia velocità e-assorbe cambia velocità Interazione = scambio del Azione a distanza

14. Campi Fondamentali Caratterizzazione delleproprietà di trasformazionedelle particellesottorotazionispaziali  Spin

15. 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

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

17. 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

18. 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)

19. 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

20. 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.)

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

22. Interazione Mediatore Spin m (GeV) Interazioni

23. The Standard Model H ? Higgs boson Gravity ?

24. 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-:

25. ? 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

26. ? 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

27. 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.

28. 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

29. 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

30. 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

31. ? 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 !!

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

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

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

35. Universo osservabile proviene da una regione piccolissima

36. La composizione dell’Universo