LA FORZA NUCLEARE FORTE

LE QUATTRO FORZE
FONDAMENTALI
La forza
nucleare
forte
Alunni: Martina, Paola, Monica, Ahmed
Classe 1A Alberghiero – Porto Sant’Elpidio (FM)
Tutor: prof. Pierluigi Stroppa
Obiettivi di conoscenza e competenza
•Conoscere le 4 forze fondamentali
•Sapere a che serve l’acceleratore di Ginevra
•Approfondire la conoscenza della forza nucleare forte
•Sapere che con gli esperimenti si possono creare nuove particelle
•Sapere la struttura dell’atomo e delle particelle che lo costituiscono
•Conoscere le particelle che costituiscono l’atomo
•Conoscere i diversi tipi di quark che costituiscono i nucleoni
Obiettivi di abilità
• Collegare una forza fondamentale ai fenomeni
macroscopici che provoca
• Costruire un modello per rappresentare l’interno
dell’atomo
• Evidenziare il legame tra l’evoluzione dell’universo e la
forza nucleare forte
• Saper organizzare una videopresentazione per un
convegno
Metodologia
• Lezioni frontali partecipate con uso di
campioni
• Lavori di gruppo, role playing
• Ricerche bibliografiche e navigazione in rete
• Invito alla produzione di videopresentazioni
Mezzi e strumenti
• Libri di testo e riviste scientifiche
• Laboratorio scientifico
• Personal computer e videoproiettore
• Macchina fotografica digitale e videocamera
• Lavagne d’ardesia, magnetica e luminosa
• Minerali, calamite, bussole
• Modelli e poster
LE QUATTRO FORZE
FONDAMENTALI
Sono la forza forte, quella debole, la
elettromagnetica e la forza di gravitazione
La forza nucleare forte (FNF)
• Agisce nel nucleo dell’ atomo, all’interno dei protoni e dei
neutroni
• Ha la proprietà del confinamento*, cioè nei barioni (protoni e
neutroni) sono presenti come triplette
• È veicolata dai gluoni (dall’inglese “glue” che significa colla)
che tengono insieme i Quark dentro i protoni e i neutroni
* Dato che sinora gli scienziati
non sono riusciti a separare
le terne di Quark, hanno
coniato per essi la proprietà
del “confinamento”
Le particelle fondamentali della materia
• La materia ordinaria è formata dai leptoni e quark
• Nella prima famiglia (o generazione) di particelle
i leptoni sono il neutrino elettronico e l’elettrone
Organizzazione dei Fermioni
• Nella prima
famiglia di
particelle i
Quark sono up
e down
Nome
1a
generazione
2a
generazione
3a
generazione
Up
Charm
Top
Down
Strange
Bottom
Neutrino
elettronico
Neutrino
muonico
Neutrino
tauonico
Elettrone
Muone
Tau
Quark
Leptoni
Secondo il modello standard, tutta la materia ordinaria che
osserviamo nel mondo macroscopico è costituita da quark e
leptoni. …
.. infatti è costituita da atomi che sono a loro volta composti da
un nucleo ed uno o più elettroni, che sono i più leggeri tra i
leptoni carichi. ..
…… il nucleo è costituito a sua volta da protoni e neutroni
che sono composti ciascuno da tre quark.
Sopra l’interno di un protone
Sopra l’interno di un neutrone
• Infine le particelle mediatrici delle forze risultano
essere tutte bosoni.
La Qcd = Quantum chromo-dynamic
La Qcd (dall’inglese Quantum chromo-dynamic ) o
cromodinamica quantistica, è la teoria che descrive anche il
“colore” dei quark.
I quark vanno combinati in modo che il colore complessivo sia
nullo… (rosso + verde + blu) ciò significa che devono trovarsi
“confinati” all’interno di particelle “bianche”.
Le particelle mediatrici dei quark, i gluoni, risentono dei colori
dei quark… questa interazione si chiama “forza di colore” e la
teoria che la descrive è la Qcd
Curiosità: il Quarkoscopio
• Il quarkoscopio è uno strumento fabbricato dall’ AMA
(associazione marchigiana astrofili di Ancona).
• Con esso si
possono vedere i
quark che sono
nei protoni e nei
neutroni.
• A lato il
quarkscopio
indica la
struttura
del protone
I quark up e down
• Le tre famiglie di quark prevedono ciascuna un
quark di carica +2/3 ed uno di carica -1/3.
• I quark più leggeri sono up (u) e down (d), che
combinati secondo lo schema uud formano il
protone (di carica +2/3 +2/3 -1/3 = 1), mentre
combinati secondo lo schema udd formano il
neutrone (di carica +2/3 -1/3 -1/3 = 0).
Com’ è fatto un protone?
Il protone è formato da tre quark: uno di colore
rosso (chiamato up); uno di colore blu (chiamato up); uno di
colore verde (chiamato down). Questi ultimi possiedono
rispettivamente, carica elettrica +2/3 e -1/3.
La carica elettrica +1 del protone si ottiene, quindi,
combinando due quark up e un quark down:
Carica +2/3 +2/3 -1/3 = +1
Com’ è fatto un neutrone?
Il neutrone, invece, è privo di carica elettrica;
Esso infatti è formato da due quark down e
uno up (-1/3 -1/3 +2/3 = 0).
Le particelle della seconda e
terza famiglia
• Queste particelle
esistevano subito
dopo il Big Bang.
Ora si trovano
solo nei raggi
cosmici e vengono
prodotte negli
acceleratori di
particelle.
Organizzazione dei Fermioni
Nome
2a generazione
3a generazione
Charm
Top
Strange
Bottom
Neutrino
muonico
Neutrino
tauonico
Muone
Tau
Quark
Leptoni
Un esperimento particolare: il QGP
• Il QGP (Quark Gluon
Plasma)
Il QGP è lo stato della
materia che esisteva
probabilmente poco
dopo il big bang e poco
prima la formazione
dei protoni e dei
neutroni (vedi immagine a
lato, da Zullini & Scaioni)
QGP
OTTENERE Il QGP (Quark Gluon Plasma)
• Per ottenere il QGP si dovranno scegliere come
proiettili degli ioni (nuclei privi di elettroni)
pesanti, cioè contenenti molti protoni e neutroni
(e dunque molti quark e gluoni). Ad esempio il
Piombo che ha 82 protoni e 126 neutroni.
• Gli ioni vengono accelerati a velocità
relativistiche e poi fatti collidere. Si può così
creare una zona “calda” e “densa” nella quale
vengono riprodotti i valori di temperatura
necessari per formare il QGP.
OTTENERE Il QGP (Quark Gluon Plasma)
• In ALICE si studieranno le collisioni tra due
fasci di ioni di Piombo, accelerati dal collider
LHC in direzioni opposte, e poi fatti collidere
frontalmente.
• Si dovrà raggiungere la temperatura di
duemila miliardi di gradi (100.000 volte la
temperatura all’ interno del sole!).
Problemi tecnici
• *Un’interazione PbPb all’energia di LHC
produrrà migliaia di particelle
• *Notevoli difficoltà tecniche per
progetto/realizzazione dei rivelatori che
dovranno identificare e realizzare tali
particelle
Problemi concettuali
• * Il QGP ha una “vita” effimera; durante questa
breve vita si verificano dei processi di
espansione e raffreddamento che provocano una
transizione verso particelle “ordinarie” (non
colorate). Queste, dopo una fase relativamente
più lunga di interazioni reciproche, “ volano”
verso i rivelatori.
• * Sono queste le particelle che vediamo nei
nostri rivelatori e NON i quark e i gluoni del
Quark-Gluon Plasma. Occorre pertanto
identificare dei segnali univoci dell’avvenuta
formazione (per brevissimi istanti) del QGP.
BIBLIOGRAFIA
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Nicola Dallaporta (1986), “sguardo sull’attuale cosmologia” ed. Borla
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Mondadori
Ippolita Martellotta & Rosa Anna Rizzo (2009): “English for Science, facing the future” lingue
Zanichelli
Aldo Conti & Lino Miramonti “una particella molto sfuggente”, in quark album cacciatori di neutrini.
A cura dell’INFN
Antonio Masiero & Massimo Pietroni “Il lato oscuro dell’Universo” in “La materia oscura” collana
“asimmetrie” anno 2 n°4-giugno 2007. A cura dell’INFN
Angela Bracco “Al cuore della materia” in “Nuclei e stelle” collana “asimmetrie” anno 4 n°9settembre 2009. A cura dell’INFN
Alberto Del Guerra “Antimateria al lavoro per la salute” in “antimateria” collana “asimmetrie” anno
3 n°7-ottobre 2008. A cura dell’INFN
Nicola Cabibbo “Le interazioni deboli” in “la lunga caccia al neutrino” collana “asimmetrie” anno 2
n°3 - dicembre 2006. A cura dell’INFN
A.Zullini e U.Scaioni “scienze della terra”, edizioni ATLAS
Poster INFN 1951-2001, “50 anni di ricerca italiana alla frontiera della scienza e della tecnologia”
Autori vari “fisica, gli scienziati delle forze fondamentali e il loro istituto”
Stephen Hawking, 1988, “A brief history of time, from the Big Bang to Black Holes”
F.Bagatti & alii (2.000) “elementi di chimica, sezione C: dalla struttura dell’atomo ai legami
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SITOGRAFIA
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www.wikipedia
www.pierluigistroppa.altervista.org
www.infn.it
www.asimmetrie.it
www.cern