Diapositiva 1 - liceo scientifico gaetano salvemini
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La ricerca dell’ Arché dalla fisica classica alla “particella di Dio” The Search For the Higgs Boson Mary Ann Kluth - 2008 Lo spirito primordiale dei filosofi presocratici: L’Essere si mostra ai primi pensatori nella sua totalità e semplicità Essi cercano l’arché (il principio) per interpretare la Physis (natura), cioè il Tutto. L’arché è il principio da cui tutte le cose si generano, è la causa del divenire del mondo. Regola il passaggio dal Chaos al Kosmos Talete Anassimandro Eraclito Pitagora Democrito Nella filosofia successiva il tutto di popola: So di non sapere Esiste una realtà immutabile Ciò che pensiamo è reale! I sensi ci ingannano La conoscenza ha i suoi limiti ! Qui è tutto da rifare La filosofia naturale di Newton 1687 Da questa opera ricomincia la rincorsa alla comprensione del tutto. I nuovi Fisici cercano le leggi (gli arché) che regolano e spiegano i fenomeni naturali (Metodo scientifico) La filosofia naturale di Newton I principi della Meccanica La teoria della Forza Gravitazionale Principio di inerzia Principio fondamentale F ma Principio di azione e reazione m1 Fg r Fg m2 m1m2 Fg G r2 con qualche problema ! Coulomb 1789 Forza elettrostatica + q1 Fe Fe - q2 Fe + + q1 Fe - q1 q1 q1q2 Fe K r2 - q2 Fe Fe Nm 2 K 8,987 10 4 C2 1 8,854 10 9 12 C2 Nm 2 Nei lavori pubblicati tra il 1789 ed 1790 Coulomb formula anche un teoria delle interazioni dei poli magnetici Alla fine del XVIII secolo si delineava il quadro teorico per la comprensione e la relazione tra le tre forze che regolavano le interazioni tra i corpi r m1 + m2 q1 Fe Fe - q2 1800 con Volta Inizia l’era dell’ELETTRICITA’ Oersted 1821 Aveva scoperto l’ELETTROMAGNETISMO! Restava da risolvere il problema dell’azione a distanza! rr F g m1 m1 F g m1 rr + + + q1 q1 q1 m2 m2 - - q2 q2 m2 - q2 Faraday La soluzione: Il campo di forza Fe + q1 + q1 q2 Maxwell La teoria del campo elettromagnetico viene formulata dal fisico scozzese Maxwell nel 1864. Le 4 equazioni di Maxwell ( E) q ( B) 0 i d ( B) C(E) dt d ( E ) C ( B ) (i ) dt War es ein Gott der diese Zeichen schrieb ? (Boltzmann citando Goethe) Maxwell previde l’esistenza delle onde elettromagnetiche. La luce è un’onda elettromagnetica! Nel vuoto la sua velocità è 1 0 0 Fine ottocento Il proliferare dei risultati scientifici dell’800 portarono ad inaspettate convergenze ! Gravitazionale 2 campi di forza Elettromagnetismo Elettromagnetico Ottica Meccanica + Statistica = Termodinamica WOW ! Un momento … ma di cosa è fatta la materia ? Facciamo un passo indietro .. Partendo dalle 3 leggi fondamentali della Chimica Conservazione della massa Proporzioni definite Proporzioni multiple (Lavoiser) (Proust) (Dalton) Nel 1803 Dalton aveva rispolverato la teoria dell’atomo. La stessa Chimica compie grandi progressi nel corso del secolo. La tavola periodica di Mendelev Nel 1868 Mendelev inizia a pubblicare i suoi principi di Chimica con le informazioni sui 63 elementi chimici allora noti. Li sistemò nella famosa tavola periodica prevedendo l’esistenza di altri 3 Una buona idea. Può funzionare ! Fine dei giochi ? Alla fine dell’800 le principali teorie per la comprensione della natura sembravano oramai definite. Le teorie della FISICA CLASSICA funzionavano a dovere ed erano sufficientemente amalgamate ! La CHIMICA aveva scavato nella struttura della materia arrivando ai mattoncini fondamentali. Restava da sistemare qualche dettaglio ! Ad es. La struttura interna degli atomi ! Le proprietà dell’etere ! Un dettaglio: i raggi catodici Nel 1838 Faraday aveva scoperto un fenomeno di luminescenza all’interno di un tubo con aria molto rarefatta in cui era applicata una differenza di potenziale: . Di cosa erano composti i raggi catodici ? Un indizio: si formano per effetto di una d.d.p. ! Una evoluzione dei raggi catodici (CRT) fu utilizzata, in seguito, nell’invenzione della televisione La scoperta dell’elettrone Nel 1895 Thomson scopre che i raggi catodici sono composti da piccole particelle cariche: gli elettroni. Ipotizzò anche un primo modello atomico In seguito inventò lo spettrometro di massa con cui calcolò il rapporto tra carica e massa (e/m) dell’elettrone. La misura della carica dell’elettrone e = -1,6 · 10-19 C sarà fatta da MILLIKAN nel 1910 col suo famoso esperimento della gocciolina d’olio: La struttura dell’atomo Sarà un brillante allievo di Thomson: Rutherford ad ipotizzare nel 1911 una struttura più soddisfacente (per i suoi tempi!) 2011 CENTENARIO ! Raggi X e radioattività Ma il 1895 non è solo l’anno della scoperta dell’elettrone ! Nello stesso anno Röntgen utilizzando i raggi catodici scopre che l’anodo emette delle radiazioni misteriose chiamate, appunto, raggi X. L’anno successivo, Becquerel scopre accidentalmente la radioattività. I coniugi Curie scopriranno negli anni successivi nuovi elementi radioattivi come il Tellurio, il Polonio, il Radio Nuovo enigma ! La materia, in determinate condizioni, emette delle radiazioni ! neutro positivo negativo Perché vengono emesse ? Perché alcune hanno una carica ? Rutherford utilizzerà le particelle alfa per scoprire che l’atomo presenta un piccolo nucleo centrale. Ma il quadro non era ancora completo per dare una risposta alle domande ! Inizio 900 Intanto siamo entrati nel nuovo secolo ! I fisici non erano impegnati solo nella comprensione della struttura dell’atomo! Nuove fondamentali scoperte e teorie trasformeranno radicalmente la disciplina ! Un altro dettaglio da sistemare! Lo spettro di emissione del CORPO NERO! La teoria classica prevede che il corpo emetta una quantità infinita di energia! L’ipotesi del quanto di energia Ma il 1901 Max Planck, senza molta convinzione, risolve il problema del corpo nero. Per riuscirci deve fare un’ipotesi rivoluzionaria: Gli atomi assorbono ed emettono radiazioni in modo discontinuo, per quanti di energia, cioè quantità di energia finite e discrete. Entro qualche decennio si svilupperà la E = hf Meccanica quantistica-ondulatoria ( = quanti + onde + probabilità!) La rivoluzione einsteiniana Nel 1905 Albert Einstein pubblica, tra gli altri, la Teoria della RELATIVITA’ RISTRETTA In poche decine di pagine … con solo due postulati … Modificherà radicalmente i concetti di spazio e tempo Supererà il concetto di etere assumendo che la luce possa muoversi anche nel vuoto .. .. con la stessa velocità rispetto ad un qualsiasi osservatore inerziale ! Introdurrà la fondamentale equivalenza: MASSA = ENERGIA E = mc2 = Appunto! Tutto arriva da lì Una nuova teoria della Gravitazione Nel 1915 Albert Einstein pubblica la Teoria della RELATIVITA’ GENERALE La forza gravitazionale viene interpretata come una conseguenza della curvatura dello SPAZIO-TEMPO! Negli anni che seguirono Einstein lavorò inutilmente ad una Teoria unificata dei campi che combinasse la gravità con l'elettromagnetismo . Anni 30: verso una teoria stabile dell’atomo Spinti dai nuovi risultati della Meccanica Quantistica Rutherford e Bohr, ipotizzarono che il nucleo dell’atomo contenesse delle particelle neutre Chadwick scopre il neutrone nel 1932 ! Fedele alla teoria dei quanti, il modello di Bohr, prevede l’emissione dei quanti di energia da parte degli elettroni nei salti di orbitale! Conferma sperimentale: gli spettri di emissione ed assorbimento delle sostanze ! Torniamo all’atomo, per favore! La nascita della fisica nucleare Il nuovo problema era capire la stabilità del nucleo che conteneva protoni che dovevano respingersi .. che emetteva delle radiazioni .. naturali o artificiali Enrico Fermi e i Via Panisperna boys Un momento ci sono anch’io. Mi chiamano il neutrino perché sono piccolino (forse non ho nemmeno una massa) e neutro! Inoltre Hahn e Meitner scoprono la fissione nucleare ! Le forze nucleari La spiegazione dei fenomeni connessi al nucleo atomico passava per l’introduzione di due nuovi campi di forza ! Le forze nucleari forte e debole rendevano stabile e soddisfacente il modello del nucleo atomico ! Però le forze in natura erano passate, in un sol colpo, da due a quattro ! Il mediatore della forza forte Nel 1935 Yukawa pubblica i suoi studi sul campo di forza forte I suoi studi, in accordo con le nuove teorie quantistiche, giustificano il corto raggio del campo nucleare forte .. con l’introduzione di una particella mediatrice responsabile della forza tra i due nucleoni! Tale particella, dovendo avere una massa intermedia tra l’elettrone e il protone fu chiamata mesone. ? La particella caduta dal cielo Negli anni seguenti, nello studio dei raggi cosmici, cioè particelle ad alta energia provenienti dallo spazio, effettivamente venne scoperta una nuova particella che aveva più o meno la massa del mesone di Yukawa! Dopo una serie di esperimenti si confermò che tale particella non poteva essere il mesone cercato perché non interagiva con i nuclei atomici ! Il rilevatore: la camera a nebbia di Wilson! La nuova particella fu chiamata mesone µ o muone Il mesone di Yukawa fu trovato qualche tempo dopo e prese il nome di mesone o pione Chi l’ha ordinata ? Nasce la fisica delle particelle Negli stessi anni iniziò l’era degli acceleratori di particelle. Schema di un ciclotrone di Lawrence E vennero fuori decine di particelle elementari ! A cosa servono ?!?! L’antimateria di Dirac Nel 1928 Dirac aveva pubblicato un fondamentale lavoro sulla meccanica quantistica applicata alle particelle ad alta velocità (relativistica). L’equazione di Dirac descriveva il moto delle particelle .. prevedeva anche soluzioni ad energia negativa ! Ogni particella deve avere una antiparticella con la stessa massa e carica opposta ! Anderson scopre il positrone nel 1932. Altre antiparticelle veranno scoperte negli anni 60. Lo spin delle particelle Un corpo che ruota intorno ad un asse ha un momento angolare dato dal prodotto vettoriale tra il vettore posizione rispetto all’asse e la quantità di moto. In meccanica quantistica, lo spin è il momento angolare intrinseco delle particelle. Gli studi sullo spin delle particelle (Pauli ed altri), all’interno della meccanica quantistica, portarono ad importanti risultati: La divisione delle particelle in: FERMIONI – (spin = ½) BARIONI – (spin intero) Il principio di esclusione di Pauli Spiega la disposizione degli elettroni due fermioni identici non possono occupare simultaneamente lo stesso stato quantico. negli orbitali atomici! Un elettrone può assumere solo due stati quantici (due orientamenti dello spin!) Riassumiamo .. Gli anni 30 del secolo scorso sono stati anni rivoluzionari: Completamento dello sviluppo della Meccanica Quantistica (anche in campo relativistico) Formulazione di un modello atomico soddisfacente Con l’introduzione delle forze nucleari e dei mediatori delle forze a livello microscopico si aveva a disposizione una interpretazione del nucleo atomico Ma non mancavano i problemi ! Troppe particelle “strane” erano state scoperte ! Erano stati scoperti i mediatori del campo elettromagnetico (fotoni) e del campo nucleare forte (pioni). Mancava una teoria degli altri due campi Perché l’Universo sembra fatto solo di materia ? Gli anni 50 Negli anni 50 nasce il CERN .. .. ed inizia la competizione per la costruzione di acceleratori di particelle .. Al Cern BernarsLee nel 1989 inventa il web! verso energie sempre maggiori ! Verso il modello standard Nel 1964 Murray Gell-Mann e George Zweig ipotizzarono che assolutamente tutte le particelle note all'epoca potessero venire spiegate come combinazioni di 3 sole particelle fondamentali. Nasce l’ipotesi dei quarks! “Three quarks for Muster Mark!” La caratteristica rivoluzionaria dell'idea era quella di assegnare ai quark cariche elettriche di 2/3 e -1/3 (rispetto alla carica del protone): Ma tre quarks non bastavano ! (Finnegans Wake di Joyce) Si passò in seguito a 6 quarks distinti per il loro “sapore” ! Un protone, composto di due quark up e un quark down Infine .. Negli anni 60 - 70 gli studi di fisica teorica portarono ad una classificazione delle particelle elementari Modello standard - 1 Scoperto nel 1995 al Fermilab Formano gli adroni. Formano materia stabile ! Con massa elevata. Formano particelle instabili ! Modello standard - 2 Modello standard - 3 A livello microscopisco le due forze sono riunite in un solo campo elettrodebole Teoria confermata al Cern nel 1982 Il problema della massa Nella formulazione delle equazioni del modello standard .. .. si doveva risolvere un altro problema .. Perché le particelle hanno masse così diverse ? Perché alcune particelle non hanno massa ? In ultima analisi .. sappiamo che la massa è anche energia .. ma come fanno le particelle ad acquisirla ? Che complicati questi fisici moderni !!!! Il campo di Higgs - 1 Lo spazio contiene un CAMPO SCALARE detto CAMPO di HIGGS Il BOSONE di HIGGS è il mediatore di questo campo In analogia con gli altri mediatori (ad es il fotone) esso viene generato quando il campo viene perturbato! Il meccanismo con cui le particelle acquistano massa è regolato da una complessa teoria di rottura di simmetria. Il campo di Higgs (cartoon) All’improvviso arriva in sala professori il prof. Man SiSiimmagini manoloche la sala il prof. deiOrtenzia professori avanza del Liceo viene crea stesso tipo di aggregazione, ma Allo stessoed modo sei colleghi invece dia entrare nella Ortenzia invita prendere un accerchiato Salvemini dai piena colleghi di professori entusiasti che per la questa volta tra i professori stessi. sala docenti viene solo annunciato l’arrivo del caffè al bar. (Arrivo di una particella) proposta. chiacchierano Ciò crea a resistenza bassa voce. al suo (Il prof. bosone di Higgs) Ortenzia .. altri prof. L’arrivo crea l’attenzione degli E’ come movimento lo spazio e gli riempito fa acquisire dal Campo una massa. di Higgs Il Big Bang The search for “The Higgs” NEL 2012 E NEL 2013 IL CERN HA PUBBLICATO GLI ULTIMI DATI SUGLI ESPERIMENTO ATLAS E CMS CON MIGLIAIA DI EVENTI OSSERVATI LA CONFERMA DELLA SCOPERTA DEL BOSONE DI HIGGS E’ STATA CONVALIDATA DALL’ASSEGNAZIONE DEL PREMIO NOBEL PER LA FISICA A HIGGS E ENGLERT IL 10 /12 / 2013 AL CERN CONTINUANO GLI STUDI SUL RUOLO DEL BOSONE NELLA FORMAZIONE DELL’UNIVERSO Modello Standard e Archè Il modello standard, oramai COMPLETATO E CONVALIDATO, è l’Archè, la teoria del tutto ? Il modello standard PURTROPPO IL MODELLO STANDARD SPIEGA SOLO IL 5% DELLA MATERIA NOTA NEI MODELLI COSMOLOGICI MANCA ALL’APPELLO MATERIA (27%) ED ENERGIA (68%) OSCURE DALLE ORIGINI IGNOTE! Oltre il Modello Standard Non esiste una teoria quantistica della gravitazione! Descrive le particelle elementari Spiega la stabilità degli atomi La natura della materia e dell’energia oscura dell’Universo (90%) Descrive l’antimateria Spiega due dei tre campi di forze a livello quantistico Il mistero della scomparsa Giustifica la massa delle particelle dell’antimateria Modello Standard Differenze marcate tra i campi forte e debole Gennaio 2014 al Cern: Primo atomo di antimateria Supersimmetria (?) – Teoria delle stringhe (?) La ricerca riparte .. In primavera i motori dell’LHC ripartiranno alla strabiliante energia di 14 TeV Si potranno ricreare le condizioni dell’Universo appena un decimo di miliardesimo di secondo dopo il BIG BANG Alla ricerca delle nuove particelle previste, ad esempio, dalla supersimmetria quali SQUARK, FOTINI, NEUTRALINI .. Fondamentale l’apporto di 1500 giovani ricercatori italiani capitanati da Fabiola Gianotti e Guido Tonelli Conclusioni La nostra conoscenza, se paragonata alla realtà, è primitiva e infantile. Eppure è il bene più grande di cui disponiamo. (Albert Einstein) Non il possesso della conoscenza, della verità irrefutabile, fa l’uomo di scienza, ma la ricerca critica, persistente e inquieta, della verità (Karl Popper)
