Il modello standard - INFN-LNF

Modello Standard
… e oltre
Danilo Babusci
INFN - Laboratori Nazionali di
Frascati
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
Meccanica Quantistica (in breve)
Elementi essenziali della descrizione del mondo
microscopico (diversi da quelli del mondo macro)
 leggi naturali sono di natura probabilistica
posso conoscere soltanto la probabilità di un evento:
è (in linea di principio) impossibile prevedere quando
decadrà un atomo eccitato
 dualità onda-particella
onde e particelle appaiono come aspetti differenti
della stessa entità
Meccanica Quantistica (in breve)
particella come onda  fenomeni d’interferenza
Meccanica Quantistica (in breve)
A. Tonomura et al. American Journal
of Physics 57, 117 (1989)
Meccanica Quantistica (in breve)
onda come particella  effetto fotoelettrico
luce
elettroni
metallo
• maggiore è l’intensità della luce, maggiore è il
numero di elettroni, della stessa energia, emessi
• maggiore è la frequenza della luce incidente,
maggiore è l’energia degli elettroni
inspiegabili nell’ambito della fisica classica: l’energia di
un’onda e.m. dipende dall’intensità, non da frequenza 
Meccanica Quantistica (in breve)
Einstein (1905): l’energia del fascio di luce è distribuita
in pacchetti (quanti) di grandezza hinteramente
trasferibili all'elettrone
Einstein (1915): nelle interazioni con la materia i quanti
trasferiscono, oltre all’energia, anche un impulso (mv)
→ costante di Planck
rafforzato lo status particellare della luce: fotoni
NB
massa fotone = 0
Meccanica Quantistica (in breve)
Conseguenze natura ondulatoria della materia
• elettrone è onda stazionaria all’interno dell’atomo
(orbita contiene numero intero di lunghezze d’onda)
Meccanica Quantistica (in breve)
l’energia associata al moto dell’elettrone è quantizzata
Meccanica Quantistica (in breve)
• principio d’indeterminazione (Heisenberg)
incertezza
nella posizione
incertezza
nell’ impulso
perde senso il concetto di traiettoria
Non solo …
… è concessa violazione arbitraria della legge di
conservazione dell’energia purché duri per un tempo
corrispondentemente piccolo
Meccanica Quantistica (in breve)
Piccolo tempo
d’esposizione
forma SI - velocità NO
Grande tempo
d’esposizione
forma NO - velocità SI
Campi Quantistici
 L’aspetto probabilistico sembra essere l’essenza
ultima delle leggi fondamentali della natura
 La fusione dei concetti di onda e particella richiede
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
Interazioni tra Campi
Fisica Classica
Fisica Quantistica
t
e-
e-
e-
e-
e-
e-
x
e- si avvicinano  mutua
repulsione  rallentati e deviati
azione a distanza
e- emette   cambia velocità
e- assorbe   cambia velocità
interazione = scambio del 
Campi Fondamentali
Caratterizzazione delle proprietà di trasformazione
delle particelle sotto rotazioni spaziali  spin
Campi Fondamentali
quantità determinata che rappresenta il momento
angolare intrinseco della particella
(idea intuitiva di spin: particella come “trottola” in rotazione è
falsa: oggetto puntiforme non può ruotare su stesso)
campi suddivisi in 2 grandi categorie
fermioni = spin semidispari (1/2, 3/2, …)
bosoni = spin intero (0,1, 2, …)
Campi Fondamentali
2 tipi diversi di campi osservati in natura
Campi
Materiali
Mediatori
Interazioni
fermioni a
spin 1/2
leptoni
quarks
bosoni
Campi Materiali
1^ Famiglia
2^ Famiglia
3^ Famiglia
Campo
q/e
m (GeV)
e
e
-1
0
5 x 10-4
< 3 x 10-9
u
d
2/3
-1/3
3 x 10-3
6.8 x 10-3


-1
0
0.106
< 1.9 x 10-4
c
s
2/3
-1/3
1.2
0.12


-1
0
1.78
< 18.2 x 10-3
t
b
2/3
-1/3
174.3
4.3
Campi Materiali
Dove sono il protone, il neutrone, i pioni, … ??
Esperimenti di diffusione di elettroni su protoni/neutroni
mostrano che quest’ultimi non sono particelle elementari,
ma possiedono componenti interni: quarks (Gell-Mann,
Zweig)
Caratteristiche essenziali dei quarks
 carica elettrica frazionaria (+/- 1/3, +/- 2/3)
 carica di colore  ciascun tipo (sapore) esiste
in 3 versioni: rosso, verde, blu (antiquarks
portano anticolore)
Campi Materiali
Regole di combinazione dei quarks: solo oggetti bianchi,
ovvero {RVB} oppure {colore – anticolore}, a carica elettrica
intera (o nulla)
Esempio: protone e neutrone  tripletti di quarks
p = {u, u, d}
n = {d, d, u}
pioni  coppie quark-antiquark
+ = {u, d }

- = {d, u}
Natura aborre stati di colore isolati: mai osservati
quarks liberi
Interazioni
 Gravitazione & E.M*.: familiari nella vita quotidiana
(causa il raggio d’azione infinito)
 Debole*: responsabile della radioattività 
(decadimento del neutrone n  p + e- + e )
 Forte: inizialmente ritenuta responsabile del legame
nucleare e mediata dal pione. Natura composta di p,
n,   interpretata come residuo dell’interazione di
colore tra quarks mediata da gluoni colorati
(trasportano colore-anticolore  8 combinazioni diverse)
* in realtà manifestazioni di una stessa interazione:
Elettrodebole (Glashow, Weinberg, Salam)
Interazioni
Interazione
Carica
R
Forza
Azione
(cm)
Gravitazionale
energia

 10-43
Q,L
E. M.
elettrica

 10-2
Q,L
Debole
debole
10-15
 10-5
Q,L
Forte (Colore)
colore
10-13
1
Q
4 interazioni per spiegare tutto l’Universo
Interazioni
Interazione
Mediatore
Spin
m (GeV)
Gravitazionale
Gravitone (G)
2
0
Elettromagnetica
Fotone ()
1
0
Debole
3 Bosoni (W, Z0)
1
80.4, 91.2
Forte (Colore)
8 Gluoni (gi)
1
0
The Standard Model
Gravity
?
H
Higgs boson
Il campo di Higgs
ASIMMETRIE (n. 8)
(www.asimmetrie.it)
Higgs @ LHC
Higgs → 2 fotoni
Higgs → 2 fotoni
Questioni aperte

Interazioni
? 4 invece di 1
? così diverse

agiscono su classi diverse di particelle:
quella di colore solo sui quarks

intensità completamente differenti

mediate da campi con proprietà diverse
? Gravità così debole
(a bassa energia) tra 2
e- :
FNewton
FCoulomb
 10-40
Questioni aperte

? 3 Famiglie
? masse cosí diverse
mt  108 me
m  10-9 me
Qual’è la vera origine della massa ?

? Quarks & Leptoni
G.U.Theory
Predizione scioccante: decadimento del protone
 il destino ultimo dell’Universo non prevede la
materia di cui siamo fatti
Questioni aperte

? Bosoni & Fermioni
Nuova simmetria
Supersimmetria
correla bosoni & fermioni  per ogni
bosone (fermione) esiste partner
supersimmetrico fermionico (bosonico)
esistenza di nuova forma di materia: particelle
supersimmetriche  soluzione problema della
materia oscura ?? (solo 4.5 % della materia dell’universo
è in forma di particelle ordinarie)
Questioni aperte
Modello Standard + Supersimmetria
gravità
(Intensità)-1
60
50
40
30
20
G.U.
10
0
1
102
1012
E (GeV)
1014 1016 1018
Questioni aperte

Problema gerarchico
? cosí distanti
unificazione
E.W. - Colore
unificazione
E.W.
e
10-3
 cb
100
t
W
103
particelle
supersimmetriche ?
106
109
Higgs
Scala di
Planck
1012
1015
E (GeV)
1018
Questioni aperte

? Gravità incompatibile con M.Q.
ha a che fare con la “debolezza” della gravità ?

? Spaziotempo ha 3 + 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
Questioni aperte
 Le particelle sono veramente puntiformi ?
Teoria delle Stringhe
ulteriore livello microscopico:
particelle non sono puntiformi,
ma piccole (10-33 cm) corde
oscillanti
diversi stati di oscillazione
della stringa  particelle
diverse
Questioni aperte
Conseguenze della Teoria delle Stringhe:
dimensionalità spaziotempo = 9 + 1
nell’equazione fondamentale della teoria è presente
(D - 10) x (termine problematico)
rende instabile la teoria
altre 6 dimensioni spaziali sono “arrotolate”
su distanze dell’ordine di 10-33 cm 
inosservabili alle energie a noi accessibili
Questioni aperte
risoluzione conflitto M.Q. – Gravitazione
tra le oscillazioni della stringa una ha massa nulla
e spin = 2 → gravitone
Problema: manca la matematica!!
solo Stringhe ?  membrane p-dimensionali
teoria M
 viene aggiunta ulteriore dimensione spaziale
Astroparticle Physics
Leggi d’interazione universali (indipendenza da luogo e
tempo)  estrapolazione nel passato (e nel futuro)
Biologia
FdP
Chimica
Fisica
Nucleare
Astrofisica
t
0
a
0
T
∞
Quale Fisica ?
Gravità Quantistica
Era di Planck
t ~ 10-43 s
E ~ 1019 GeV