La Fisica delle Particelle - liceo scientifico gaetano salvemini

Liceo Scientifico “Gaetano Salvemini”
Progetto Envirad
Immagine realizzata da Derek Leinweber
esposizione divulgativa di Ciro Chiaiese
Ciro Chiaiese
Il vuoto è l’essenza delle cose
Il vuoto non esiste, esistono cose che non vediamo,
ed esse sono il principale artefice di ciò che vediamo.
Il vuoto è costituito da campi la cui energia
ha continue fluttuazioni di densità.
Le densità più stabili costituiscono la realtà che vediamo,
ma la maggior parte dell’attività del vuoto è per noi invisibile
e sotto alcuni aspetti forse ancora inimmaginabile.
Ciro Chiaiese
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Dall’atomo di Democrito al modello quantistico
Ciò che costituisce l’essenza della realtà è stata una delle prime
domande che l’uomo si è posto.
Almeno fin dall’antica Grecia, ritroviamo teorie filosofiche che
hanno tentato di dare una risposta a questa domanda.
Ogni cosa esistente è fatta di una
combinazione di quattro
elementi fondamentali:
acqua, aria, terra, fuoco
Empedocle
Ciro Chiaiese
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Dall’atomo di Democrito al modello quantistico
Democrito e Leucippo (V sec. A.C.) furono probabilmente
i primi a proporre una teoria atomistica per la materia.
Tutto è formato da
piccolissime particelle, non
ulteriormente divisibili,
diverse fra loro solo per
forma e grandezza.
Esse si muovono e si
combinano dando origine a
tutte le cose, compresa
l’anima dell’uomo.
Democrito
Ciro Chiaiese
Leucippo
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Dall’atomo di Democrito al modello quantistico
La risposta alla domanda sulla natura della materia è
rimasta nell’ambito della Filosofia per molti secoli e solo
con i progressi della Chimica riprende, questa volta però
su basi scientifiche, la strada dell’ipotesi atomistica.
I contributi della Chimica alle basi della teoria atomistica
furono notevoli e dovuti a diversi protagonisti del XVIII e
XIX secolo.
Ciro Chiaiese
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Dall’atomo di Democrito al modello quantistico
Il contributo della Chimica
Legge di
combinazione
dei volumi
Legge di
conservazione
della massa
Antoine Lavoisier
Joseph-Louis Gay-Lussac
Nelle stesse condizioni
di pressione e
temperatura, uguali
volumi di gas hanno lo
stesso numero di
molecole
Tavola degli
elementi
chimici
Amedeo Avogadro
Dimitri Mendeleev
Ciro Chiaiese
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Dall’atomo di Democrito al modello quantistico
Il contributo della Chimica
E fra questi, forse i contributi più significativi si devono a
Proust e Dalton:
Legge delle proporzioni definite
Gli elementi costituenti di un composto, per ogni
quantità dello stesso [composto], sono presenti
sempre in uguali proporzioni.
Joseph Proust (1754-1826)
Legge delle proporzioni multiple
Considerati due elementi A e B che possono
reagire formando composti diversi, fissata la
quantità dell’elemento A, in ogni composto
che i due formano, l’elemento B compare in
quantità che sono fra loro multiple o
sottomultiple secondo interi (piccoli).
John Dalton (1766-1844)
Ciro Chiaiese
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Dall’atomo di Democrito al modello quantistico
Il modello atomico di Thomson
I successivi passi verso la conoscenza della struttura della
materia passano essenzialmente per la Fisica.
Alla fine del 1800, Joseph John Thomson, sulla base di
esperimenti con i raggi catodici, scopre che la carica elettrica è
quantizzata (successivamente fu denominata elettrone) e
propone un primo tipo di modello atomico.
Modello atomico di
Thomson detto a panettone
perché prevedeva che le
cariche negative fossero
sparse in una sostanza di
carica positiva.
J.J. Thomson (1856-1940)
Nobel Fisica 1906
Ciro Chiaiese
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Dall’atomo di Democrito al modello quantistico
Il modello atomico di Rutherford
Pochi anni dopo (1909), Ernest Rutherford, ex studente di
Thomson poi divenuto docente, in un esperimento consistente
nel bombardare una sottile lamina d’oro con particelle ,
scopre che le deflessioni registrate non sono compatibili col
modello di Thomson.
Questo esperimento si può
considerare l’iniziale modalità sperimentale della Fisica
delle
particelle:
fissare
(rompere) l’oggetto d’indagine per vederne le parti
che lo compongono.
Ciro Chiaiese
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Dall’atomo di Democrito al modello quantistico
Il modello atomico di Rutherford
Due anni dopo, nel 1911, sulla base dei risultati
dell’esperimento con la lamina d’oro, Rutherford propone un
nuovo modello atomico: il modello planetario.
Modello planetario di
Rutherford, così detto
perché prevedeva che gli
elettroni orbitassero a
relative grosse distanze dal
nucleo positivo.
Ernest Rutherford (1871-1937)
Nobel Chimica 1908
Ma lo stesso Rutherford è cosciente che anche il suo modello atomico
sembra avere qualcosa che non va: non si accorda con la recente teoria
dell’elettromagnetismo di Maxwell (e con qualcos’altro …).
Ciro Chiaiese
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Dall’atomo di Democrito al modello quantistico
Il modello atomico di Bohr
La recente teoria elettromagnetica di Maxwell prevedeva che
una
carica
in
moto
accelerato
emettesse
onde
elettromagnetiche perdendo quindi energia.
L’elettrone in orbita intorno
al nucleo, emettendo
continuamente energia per
radiazione e.m. avrebbe
dovuto in brevissimo tempo
collassare sul nucleo in
contraddizione con la
stabilità dell’atomo
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Dall’atomo di Democrito al modello quantistico
Il modello atomico di Bohr
Inoltre, l’emergente branca della spettrografia mostrava che gli
spettri di emissione ed assorbimento degli atomi non erano
affatto continui come prevedeva la teoria ma, piuttosto,
presentavano righe nette e distanziate.
Spettro di emissione nel visibile dell’idrogeno (serie di Balmer)
Sopra: spettro atteso dalla FC sia in assorbimento che in emissione
Sotto: spettri di emissione ed assorbimento rilevati.
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Dall’atomo di Democrito al modello quantistico
Il modello atomico di Bohr
Bohr supera questi problemi legando al modello planetario tre
fondamentali ipotesi:

Esistono delle orbite stabili in cui gli elettroni non emettono energia
Le orbite stabili che gli elettroni possono occupare sono caratterizzate da
un momento angolare multiplo di una quantità fondamentale

Gli elettroni emettono o assorbono energia solo nel “saltare” da un’orbita
all’altra secondo la legge usata da Einstein nell’effetto fotoelettrico:

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Dall’atomo di Democrito al modello quantistico
Il modello quantistico
L’emergente Meccanica Quantistica, nata con l’ipotesi di Luis De Broglie
della doppia natura corpuscolare-ondulatoria di ogni particella e
sviluppata da Heisenberg, lo stesso Bohr, Schrodinger, Born, Dirac ecc., che
porta all’abbandono della prerogativa deterministica della Fisica in luogo
di una predizione probabilistica dei fenomeni (in realtà i cambiamenti
concettuali sono rilevanti e notevoli) comporta, fra l’altro, la perdita del
concetto di traiettoria e, di conseguenza, nell’ambito dell’atomo, non si
parla più di orbite (traiettorie ben definite) ma di orbitali (zone di spazio in
cui vi è una certa probabilità di presenza dell’elettrone).
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Dall’atomo di Democrito al modello quantistico
Il modello quantistico
Il modello quantistico, oltre a sostituire il concetto di orbita con quello di
orbitale, avvalendosi dei risultati conseguenti all’applicazione
dell’equazione di Schrodinger e successivamente di Dirac, nonché del
principio di esclusione di Pauli, si fonda su 4 numeri quantici che
determinano la configurazione elettronica degli atomi:

n – numero quantico principale che determina i livelli energetici (
)
l – momento angolare orbitale, per ogni n può assumere n valori diversi, da
0 a n-1, ed è responsabile delle forme degli orbitali

m – componente z del momento angolare orbitale, per ogni l può assumere
2l+1 valori, da –l a l, ed è responsabile dell’orientamento dell’orbitale


 - spin, può assumere solo due valori distinti
sono indicati solo con
intrinseco dell’elettrone.
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(che nelle unità naturali
) e rappresenta la componente z del momento
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La nascita della Fisica delle Particelle
Fino al 1920, i chimici conoscevano circa 90 elementi diversi (o
poco più).
Fino al 1930 circa si prevedeva che tutta la materia fosse
costituita da due sole particelle: l’elettrone e il protone.
Poi, nel 1930, con la scoperta del neutrone da parte di J.
Chadwick, sembra che la struttura atomica, e quindi della
materia, sia ben definita e chiara.
Ciro Chiaiese
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La nascita della Fisica delle Particelle
Dal 1930, però, l’analisi dei raggi cosmici portò alla scoperta di numerose
altre particelle subatomiche (anche se molto instabili).
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La nascita della Fisica delle Particelle
Non era un segnale incoraggiante visto che l’intento iniziale
era quello di spiegare la varietà degli atomi con una
combinazione di poche particelle elementari.
Durante il discorso di assegnazione del suo Nobel nel 1955 il
fisico Lamb, scherzosamente, affermò qualcosa del genere:
“fino agli anni ‘30, lo scopritore di una particella elementare veniva
premiato con un Nobel, oggi, con il numero di particelle scoperte,
qualcuno ha detto che bisognerebbe prevedere una multa di 10.000$
per chi scopre una nuova particella!”
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I Quark
La ricerca di una struttura più elementare con leggi ben
definite che regolano le relazioni fra le particelle e le loro
interazioni comincia a svilupparsi negli anni ’50 ed esegue un
passo importante negli anni ’60 ad opera dei due fisici
statunitensi Murray Gell-Mann e George Zweig che ipotizzano
che protoni e neutroni, siano in realtà a loro volta costituiti da
combinazioni di tre tipi di sub particelle (successivamente
diventate 6) denominate quark.
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I Quark
La teoria prevista da Gell-Mann e Zweig prevedeva 6 tipi di
quark che riuscivano ad inquadrare, oltre a protoni e neutroni,
tutte le altre particelle pesanti (adroni) osservate.
La materia comune, comunque, è interessata solo da due tipi
di quark: up (carica = +2e/3) e down (carica = -e/3)
protone = 2u+1d = 2x(2/3)e + (-1/3)e = +e
neutrone = 1u + 2d = (2/3)e + 2x(-1/3)e = 0
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I Quark
La struttura a quark diventa così la base di quello che poi fu
chiamato Modello Standard.
I quark sono concepiti come particelle dotate di carica
frazionaria e spin ½ e si presentano accorpati in triplette nei
barioni (protoni e neutroni) e in coppie quark-antiquark nei
mesoni.
Insieme ai leptoni (elettrone e altre particelle con caratteristiche
correlate) i quark formano la materia ordinaria e quella
estremamente instabile (con vita media estremamente breve).
Completano il quadro, i bosoni mediatori che mediano le
interazioni fra le particelle.
Ciro Chiaiese
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Il Modello Standard
Il Modello Standard è la
teoria che si propone di
spiegare, non solo la struttura
della materia, ma anche le
modalità con cui le varie parti
interagiscono determinando
la varietà fenomenologica che
osserviamo.
Resta fuori da questo modello
la gravità e, quindi, tutti i
fenomeni ad essa connessi.
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Il Modello Standard
Il Modello Standard è caratterizzato da diversi criteri di
raggruppamento, a seconda
delle proprietà che si vogliono
prendere in considerazione.
Le colonne I, II e III, dette
famiglie, determinano la tipologia di particelle: la I famiglia è
quella che costituisce la materia
ordinaria.
Nelle ultime due colonne troviamo i bosoni dei campi di
forze.
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Il Modello Standard
I Fermioni
Le particelle delle tre famiglie
costituiscono i fermioni, caratterizzati dall’avere tutte spin ½ .
Il loro nome è intitolato al fisico
italiano Enrico Fermi, uno dei padri
della Fisica Nucleare che guidava il
gruppo di fisici italiani che ha
praticamente scoperto la fissione
nucleare e che fu denominato I
ragazzi di via Panisperna, luogo di
Roma in cui era situato
il
laboratorio dove operavano.
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I ragazzi di via Panisperna
Ettore Majorana
Enrico Fermi
Da sinistra: Oscar D'Agostino,
Emilio Segrè, Edoardo Amaldi,
Franco Rasetti, Enrico Fermi.
Bruno Pontecorvo
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Il Modello Standard
I Bosoni
Le ultime due colonne sono costituite dai bosoni
mediatori di campo (o di gauge).
I bosoni sono particelle caratterizzate da spin
intero (0 o 1) e sono le particelle mediatrici dei
tre campi di forza:
• elettromagnetica (fotone)
• nucleare forte (gluone)
• nucleare debole (Z, W- e W+)
Ad essi si aggiunge l’ultimo arrivato:
il bosone di Higgs.
Una differenza fondamentale fra fermioni e
bosoni è che i primi sono soggetti al principio di
Pauli, i secondi no.
Ciro Chiaiese
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Il Modello Standard
Gli Adroni
Il gruppo di fermioni costituito dai quark dà luogo
alle particelle che prendono il nome di adroni.
Gli adroni sono le particelle
che interagiscono tramite la
Forza Nucleare Forte.
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Il Modello Standard
I Leptoni
Il gruppo dei leptoni è costituito dall’elettrone e dai
suoi “cugini”: il muone e il tauone.
Fanno parte di questo gruppo
anche tre tipi di particelle che,
da quando sono state teorizzate,
hanno avuto un ruolo importante e, soprattutto all’inizio,
“sfuggente”: i neutrini.
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I neutrini
I neutrini furono teorizzati da Pauli negli anni ‘20 per
bilanciare il decadimento beta che, diversamente, presentava
un inspiegabile ammanco d’energia.
Fu successivamente Fermi a dar loro il nome di neutrini.
Fino alla fine del 1900 si riteneva che i neutrini fossero
particelle prive di massa.
Solo grazie ad esperimenti congiunti fra il CERN e i LNGS
(esperimenti CNGS e OPERA) e KAMIOKANDE in Giappone,
si è potuto stimare un limite superiore per la loro massa e
confermare l’ipotesi fatta da Bruno Pontecorvo sulla loro
oscillazione (esperimento che ha fruttato il premio Nobel 2015
a T. Kajita).
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I neutrini e la Materia Oscura
I neutrini hanno assunto un ruolo molto importante non solo
nella Fisica delle Particelle ma anche in Astrofosica.
Infatti, da quando è stato stabilito che hanno una massa, essa,
per quanto piccola, ha un ruolo importante nelle teorie
cosmologiche poiché l’enorme quantità di neutrini
nell’universo può determinare il tipo di evoluzione che esso
avrà.
La materia e l’energia che noi conosciamo
costituiscono solo il 5% di quella che è
presente nell’universo; la restante parte è
costituita per il 27% da materia oscura (in
cui rientrano i neutrini) e per il 68% da
energia oscura.
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Le interazioni nel Modello Standard
Il MS descrive la modalità d’azione di tre delle quattro forze
fondamentali: la forza elettrica (FE), la forza nucleare forte (FNF) e la
forza nucleare debole (FND). Resta fuori dal MS la forza
gravitazionale che non si riesce ancora ad inquadrare in tale teoria.
Il modello descrittivo prevede che l’interazione fra particelle dovuta
ad una forza si esplichi attraverso lo scambio di una particella
denominata bosone mediatore della forza.
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La forza Elettromagnetica
L’azione della FE avviene attraverso lo scambio di un fotone
virtuale, che è il bosone di questa forza. Il termine virtuale sta
ad indicare che, diversamente dal normale fotone, esso esiste
solo per il tempo in cui si esplica l’interazione (*).
Lo scambio del fotone determina la variazione di quantità di
moto delle particelle interagenti.
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La forza Nucleare Forte
La FNF è l’interazione che si esercita fra adroni, ossia fra quark
e particelle costituite da quark.
In particolare, è la forza che permette la stabilità nucleare
poiché su brevi distanze è molto più forte della forza elettrica
che, nei nuclei con più protoni, non ne permetterebbe la
coesistenza.
Le modalità di interazione di questa forza sono descritte da
un’apposita teoria: la cromodinamica quantistica (QCD).
Il bosone mediatore di tale forza è il gluone che, in realtà, si
presenta in 8 tipi diversi, tutti di massa nulla come il fotone.
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La forza Nucleare Debole
La FND è responsabile dei decadimenti nucleari di tipo beta,
ossia di quelle reazioni che prevedono la trasformazione di
neutroni in protoni (o viceversa) con emissione di elettroni (o
positroni) e neutrini.
Un contributo notevole a questa teoria si deve al fisico italiano
Enrico Fermi che fu fra i primi a descrivere il decadimento
beta.
Decadimento beta
Decadimento beta inverso
I bosoni della forza debole sono tre e sono: Z, W+ e W-
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Le teorie del MS
Il Modello Standard è una struttura che deve prevedere
anche le modalità con cui le forze interagiscono con le
particelle.
Le teorie che descrivono tali modalità sono due:


la QED (Quantum Electro-Dynamics)
la QCD (Quantum Chromo-Dynamics).
Entrambe sono teorie quantistiche che si basano su
particolari strutture algebriche dette teorie di gauge.
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QED
La QED descrive le interazioni fra fotoni e particelle cariche
utilizzando la Meccanica Ondulatoria relativistica (equazione
di Dirac) riadattata essenzialmente da Feynmann, Shwinger,
Tomonaga e Dyson per risolvere alcuni problemi di natura un
po’ troppo complessa da descrivere per i nostri scopi.
Successivamente, questa teoria è stata ampliata da Glashow,
Salam e Weinberg che ne proposero un’estensione in grado di
descrivere le interazioni em e nucleari deboli come un’unica
interazione: la forza elettrodebole (un passo verso
l’unificazione delle forze).
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QED
In particolare, si deve a Feynmann l’introduzione di
particolari grafi (poi detti diagrammi di Feynmann) che
rendono più semplice e visiva la descrizione delle
interazioni.
Due elettroni che si respingono scambiando un
fotone virtuale
Ciro Chiaiese
Un elettrone e un positrone che si annichilano
scambiando un fotone virtuale
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QCD
La QCD descrive le interazioni forti, quindi quelle che
avvengono fra quark.
E’ una teoria che deriva direttamente dalla QED ma che ha
dovuto risolvere dei problemi relativi alla natura della forza
forte, notevolmente diversa da quella debole.
La natura dei problemi in gioco è assolutamente lontana dal
livello divulgativo di questa conferenza ma possiamo
accennare che essi sono incentrati sulla particolare
caratteristica di questa interazione che rende impossibile
isolare i quark.
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QCD
La FNF ha la caratteristica di non diminuire allontanando due
quark per cui, ad una certa distanza (comunque molto
piccola), l’energia potenziale diventa così elevata che il sistema
trova energeticamente più conveniente creare una nuova
coppia di quark. E’ questo strano meccanismo che ha portato a
teorizzare che quark e gluoni sono dotati di cariche di colore che
ne permettono di regolare le complesse manifestazioni.
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QCD
Un’ulteriore particolare caratteristica teorica di questa forza è
nel fatto che a distanze molto ravvicinate essa tende ad
annullarsi.
Questa teoria va sotto il nome di libertà asintotica ed è stata
elaborata da F. Wilczek, D. Gross e D. Politzer e ha fruttato
loro il premio Nobel nel 2004.
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Il campo di Higgs
La struttura del MS non prevede una massa per le particelle,
semplicemente perché, a livello subatomico, il termine massa
non può essere inteso come la quantità di materia di un corpo.
Cosa fa sì, allora, che particelle diverse si muovano in modo
diverso pur se soggette alla stessa forza?
Negli anni ‘60, Peter Higgs e, in modo indipendente, F. Englert
e R. Brout, ipotizzarono l’esistenza di un campo con cui le
particelle interagiscono in modo diverso.
Il bosone di questo campo è il bosone di Higgs.
Ciro Chiaiese
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Il campo di Higgs
Il campo di Higgs permea tutto l’universo come un fluido in
cui le particelle trovano una sorta di “resistenza viscosa”,
differente perché dipende dalle loro caratteristiche
(nell’immagine rappresentate con una diversa forma).
Ciro Chiaiese
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Il campo di Higgs
In questa analogia, il bosone di Higgs può essere immaginato
come il risultato di addensamenti del campo prodotti da sue
fluttuazioni.
In realtà, nella teoria dei campi, tutte le particelle sono
espressioni di addensamenti di energia dei campi
fondamentali e questo ci porta a concludere con l’affermazione
che ha aperto questa conferenza …
Ciro Chiaiese
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Conclusione
Il vuoto non esiste, lo spazio è permeato da campi e le particelle sono
espressione di loro addensamenti di energia e con essi interagiscono.
In particolare, tutte quelle che interagiscono con il campo di Higgs
presentano una resistenza ai cambi di moto (massa), quelle che non
interagiscono viaggiano alla velocità della luce. Naturalmente,
questa è una sintesi estremamente semplicistica e grossolana della
teoria dei campi, ma può servire per avere un’idea di come essa
interpreta l’universo nei suoi costituenti fondamentali.
Ciro Chiaiese
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Bibliografia
Feynman Richard – QED
Aczel Amir D. – Entanglement
Kumar Manjit – Quantum
Lederman Leon – La particella di Dio
Wilczek Frank – La leggerezza dell’essere
Wilczek Frank – La musica del vuoto
Cox B., Forshaw J. – L’universo quantistico svelato
Wikipedia – Articoli vari
Ciro Chiaiese
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