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Il Modello Standard
delle Particelle e delle Interazioni
Com’è fatta la materia?
• Cultura greco-classica  4 elementi
(Aristotele : Mat. continua)
• 19o secolo  Atomi (Dalton: Mat.
discontinua)
• Inizio 20o secolo: elettroni, protoni,
neutroni (Mod. a panettone, planetario,
quantistico, probabilistico)
• Oggi: quarks, leptoni e mediatori di
interazioni
Modello Standard
(seconda metà del ‘900)
• La materia è composta da elementi
subnucleari
• Quarks
• Leptoni
• Mediatori di interazione
IDENTIKIT
I quarks esistono solo in gruppi (adroni), mai come
singoli. Hanno:
– carica elettrica positiva o negativa, frazionaria (-1/3
oppure +2/3),
– massa (compresa tra quella dell’elettrone e quella del
protone);
– spin (rispettano il principio di Pauli)
– carica di colore (a segni opposti)
• Neutrone
-1/3 -1/3+2/3=0
Protone
+2/3 +2/3-1/3=1
IDENTIKIT
• I leptoni esistono singolarmente, hanno:
– carica elettrica negativa (-1) oppure neutra (0)
– massa
– spin ( rispettano il principio di Pauli)
Ulteriori dettagli…
• Si conoscono 6 tipi quarks e 6 tipi di leptoni organizzati in rispettive 3
famiglie (Generations).
• Delle 3 generations, nella materia stabile ritroviamo solo la prima (I):
quella ‘più leggera’: cioè l’elettrone (e-) con il corrispondente neutrino (ve) e la
coppia di quarks up/down.
• Le particelle delle altre due gemerations sono più pesanti, molto
instabili decadono rapidamente (ecco perchè si rintracciano solo durante
esperimenti nucleari)
• Per ogni tipo di particella descritta
precedentemente (materia) esiste un tipo
di anti-particella (anti-materia): Antielettrone (o positrone), anti-quark, antineutrone, anti-protone ecc.
Non è tutto…
Queste particelle fondamentali sono stabili e facilmente
rintracciabili con le apposite strumentazioni.
Esistono Numerosissime altre particelle, più o meno complesse,
più o meno pesanti, ottenute da varie combinazioni tra quarks,
ma sono tutte estremamente instabili… tanto da essere “notate”
con strumentazioni più sofisticate e solo per brevissimo tempo
(micro, nano secondi)  Mesoni, Kaoni, Pioni ecc.
Le interazioni?
• Come fanno due calamite ad attrarsi
o respingersi?
• Come fa il Sole ad attrarre la Terra?
Sappiamo che un corpo “carico” riesce a
modificare lo spazio intorno a se, creando un
campo di forze, di interazioni. un campo cioè
in cui viene veicolata, comunicata ad un altro
corpo l’attrazione o la repulsione.
Ma chi permette questa comunicazione?
Le Interazioni
• Nel secolo scorso furono
riconosciute 4 interazioni (o
forze) fondamentali che si
esercitano tra le particelle
– Gravità,
– Elettromagnetismo,
– Inter. nucleare debole
– Inter. nucleare forte
• Tra esse, la gravita’ e’ solo
attrattiva, le altre sono
attrattive e repulsive.
Il Modello Standard suppone l’esistenza di
Mediatori di interazioni
•
•
•
•
Gravitoni
Fotoni
Gluoni
Bosoni
?
gravitone
?
Bosone di
Higgs
1) GRAVITONI
(solo ipotizzati: non ancora provati)
• Non dovrebbero avere massa
• Non dovrebbero avere carica
elettrica
• dovrebbero avere spin +1, -1
(bosoni di gauge)
– Non rispetterebbero il principio di
Pauli
• Mediano l’attrazione
gravitazionale.
2) FOTONI
• Mediano le forze elettromagnetiche
– Permettono l’attrazione tra cariche
(elettriche e magnetiche) opposte e la
repulsione tra quelle uguali.
• non hanno massa
• Non hanno carica elettrica (0)
• Si propagano alla velocita’ della
luce
• Hanno doppia natura (particellare
e ondulatoria)
• Hanno spin +1, -1 (bosoni di
gauge)
• Non rispettano il principio di Pauli
3) GLUONI
• Mediatori della forza nucleare forte.
– Tengono uniti i quarks all’interno dei
protoni e dei neutrone, ma anche
protoni e neutroni tra loro nel nucleo.
• Hanno carica di colore diversa da 0+
- La loro mediazione si basa proprio sulla
carica di colore, caratteristica dei
quarks.
• Hanno massa quasi nulla (teorica=0)
• Non hanno carica elettrica
• Hanno spin +1, -1 (bosoni di gauge)
• Non rispettano il principio di Pauli
4) BOSONI W, Z, Higgs, (x e y)
• Mediatori dell’interazione debole
– Responsabili del decadimento radioattivo
della materia.
• Hanno carica elettrica (+1, -1, 0)
• Hanno massa (100 volte il protone)
• Hanno spin, +1 e -1
– Non rispettano il principio di Pauli
• Bosoni x e y ipotizzati (responsabili di
una nuova ipotetica interazione)
• Quarks in moto nei protoni e nei neutroni
• Protoni e neutroni in moto nel nucleo
• Elettroni (leptoni) in moto intorno al
nucleo
• Mediatori che permettono interazioni tra i
vari elementi precedenti. Sono responsabili,
quindi, di tutti i fenomeni chimici e fisici.
Decadimento nucleare
• Il nucleo puo’ scindersi
in parti piu’ piccole
(questo fenomeno può
essere osservato
facilmente, grazie a
speciali strumentazioni,
in un reattore nucleare)
Un esempio: decadimento beta del neutrone
Un quark down si trasforma in: un quark up + un bosone W-.
Successivamente il bosone si converte in due leptoni
(l’elettrone e il corrispondente neutrino) che verranno espulsi
con una certa energia.
Come si può comprendere da questo esempio, il bosone si
rende “visibile” alle strumentazioni solo nel momento della
trasformazione del quark, per tal motivo vien logico pensare
che ne sia il diretto responsabile.
Altro esempio: decadimento del muone
Un muone (leptone pesante) decade in elettrone e due neutrini
(leptoni più leggeri), con una forte energia cinetica, per
mediazione ancora di un bosone
In conclusione…
Quando una qualsiasi particella decade, trasformandosi in
un’altra (piu’ leggera), è sempre riscontrabile un bosone
intermedio, fatto che, quindi, porta alla conclusione che:
il bosone è mediatore del decadimento radioattivo
(interazione nucleare debole).
Caso particolarissimo è quello del BOSONE di HIGGS
(particella di DIO): appena confermato nei laboratori del
CERN di Ginevra, esso media il decadimento
(trasformazione) di pura energia (cinetica ed
elettromagnetica) in massa
Altre informazioni
I quarks e i leptoni hanno uno spin paragonabile alla
rotazione attorno ad un asse ed è tale da rispettare il
principio di esclusione di Pauli.
Il loro comportamento è descritto della cosidetta
meccanica quantistica descritta in maniera definitiva da
E. Fermi (in suo onore queste particelle sono anche
indicate con il termine comune di di “Fermioni”)
I bosoni hanno uno spin completamente differente (non
può essere paragonato alla rotazione attorno ad un asse)
ed è tale da non rispettare il principio di Pauli,
permettendo loro di trovarsi vicini in numero indefinito.
il loro comportamento non è descritto dalla meccanica
quantistica ma dalla meccanica statistica elaborata da
Bose e da Einstein. (è proprio in onore a Bose che sono
indicati con il termine di “Bosoni”)