PERCHE’ STUDIAMO LA
FISICA DELLE
PARTICELLE?
Michelangelo Mangano
Theoretical Physics Division
CERN, Geneva
Incontri LNF per gli insegnanti
2002
Programma
Concetti fondamentali
Legame della FdP con altri rami della
Fisica
Osservabili e grandezze fondamentali
Valore didattico della FdP, e possibili
applicazioni nell’insegnamento liceale
La FdP affronta le domande
fondamentali della storia del
pensiero
Da dove viene
l’Universo?
Come
funziona?
Dove va?
Quali sono i
componenti ultimi
della materia?
Che cosa `li muove’?
Come `si muovono’?
Livello 0: come? cosa?
Esistono mattoni fondamentali?
Se si’, cosa sono?
Come interagiscono?
Come determinano le proprieta’
dell’Universo?
Livello 1: perche’?
Perche’ esistono mattoni fondamentali?
Perche’ interagiscono cosi’?
Perche’ viviamo in 3+1 dimensioni?
Esistono alternative?
…….
Perche’ `qualcosa’ invece che `niente
Risultati principali
Semplicita’ (dei costituenti, delle
interazioni): la complessita’ emerge dalla
varieta’ delle combinazioni
Unita’ (delle leggi di interazione)
Unicita’ (degli elementi): ` a proton is a
proton is a proton’
Unicita’ (delle leggi fondamentali):
indipendenza dal luogo, tempo e
condizioni
I componenti fondamentali
protone
U
U
D
U
D
neutrone
elettrone
neutrino
D
Le interazioni (o forze)
Responsabili per:
Stati legati (E<0):
Terra -Luna
Elettroni-Nucleo
Diffusione (E>0):
Moto di un elettrone in un metallo
Propagazione della luce
Cambiamenti di stato:
Decadimenti (n->p e neutrino)
Le interazioni fondamentali
FORZA
SENSIBILE
MEDIATORE:
A:
Elettromagnetismo
Carica
elettrica
Fotone
Forza debole
Carica
`debole’
W+ WZ0
Forza `forte’
`Colore’
gluone
Gravita’
Energia
gravitone
Ruolo della teoria della Relativita’
Le particelle elementari hanno masse talmente
piccole che energie modeste, raggiungibili
nell‘Universo anche al di fuori dei laboratori,
possono accelerarle a velocita’ prossime a
quelle della luce. Gli effetti relativistici sono
dunque essenziali, e la descrizione dei loro
comportamenti deve essere consistente con i
principi della relativita’ speciale
In particolare, il modello delle interazioni deve
rispettare il principio che le forze non possono
trasmettersi istantaneamente a distanza
Rappresentazione delle
interazioni
t
Standard Model Interactions
nu
e
e
q
q
W
e
fotone,
Z
nu
Z
nu
q’
Fotone,
gluone, q
Z
W
Proprieta’ delle interazioni
• Localita’ (proprieta’ dell’interazione
dipendono solo dalle properieta’ dei partecipanti
in un punto)
• Causalita’ (l’effetto segue la causa, e non
puo’ manifestarsi prima del tempo impiegato
dalla luce a percorrere la distanza fra effetto e
causa)
• Universalita’ (l’interazione fra due particelle
fattorizza in termini delle proprieta’ indipendenti
delle singole particelle)
Esempi di
processi
Decadiment
o
del neutrone
Decadimento
del leptone mu
P’
Ruolo della meccanica quantistica I
q
P
Se P0=mc, e visto che P0’≥mc e q0>0
P0 < P0’+q0
L’energia non puo’ essere conservata in una transizione di
questo tipo! Solo la meccanica quantistica puo’ permetterla,
imponendo una durata massima
a questo stato in accordo con
il principio di indeterminazione:
∆E ∆t > h/2π
Ruolo della meccanica quantistica II
P’
q
P
In alternativa,
P=P’+q
e
=>
P2 = P’ 2 = m2
q2<0
Stati con q2<0 si chiamano virtuali. La loro
esistenza e’ limitata a tempi consistenti con il
principio di Indeterminazione.
La relativita’ speciale fa si’ che stati virtuali abbiano E>0 o E<0 a
seconda
del sistema di riferimento. L’esistenza di stati con E<0 conduce
all’introduzione di antiparticelle.
L’esistenza di antiparticelle (per es. e+) e` cruciale nella
realizzazione degli esperimenti di FdP moderni!
Ruolo della meccanica quantistica III
e
e
mu
L’universalita’ degli
accoppiamenti impedisce
di predirre con certezza il
risultato di una reazione.
mu
q
q
Diversi stati finali sono
possibili, ed appaiono con
probabilita’ relative
calcolabili secondo le leggi
della meccanica
quantistica
Ruolo della FdP in
Cosmologia
L’universalita’ delle leggi
di interazione
(indipendenza da luogo e
tempo) di permette di
estrapolare indietro (ed
avanti) nel tempo
E’ cosi’ possibilie
ricostruire gli eventi della
storia dell’Universo fino a
tempi dell’ordine di 10-10
sec dopo il Big Bang
Come si impara qualcosa da
immagini come questa?
Osservabili e grandezze
fondamentali
Massa:
Carica:
Oggetti composti -> orgine dinamica, calcolabile
Oggetti fondamentali -> origine ???
Misura: in decadimenti: P=∑ pi , M2=P2
Ci che tipo (elettrica, debole, forte)?
Altre??? Origine???
Misura: intensita’ dell’interazione
Spin (momento angolare intrinsico):
Intero -> bosoni, Semiintero -> fermioni
Assieme al principio di indeterminazione =>stabilita’ della
materia!!!
Origine ???
Misura : distribuzioni angolari in processi di diffusione o
decadimento
Questioni legate alle grandezze fondamentali
Meccanica Quantistica e Relativita’ ordinano che
queste e solo queste siano le proprieta’
fondamentali di particelle puntiformi. Ma non ne
determinano in modo univoco i valori
Principi di simmetria stabiliscono dei vincoli:
Conservazione della carica => M(fotone)=0
Conservazione della chiralita’ => M(neutrino)=0
Ma a volte le simmetrie sono rotte, ed i vincoli persi
Le difficolta’ della ricerca
Identificare le domande rilevanti
Capire se queste ammettono risposta
Identificare gli strumenti matematici in grado di
fornire la risposta
Confrontare con il compito assegnato ad uno
studente a scuola:
Il problema gli viene assegnato dall’insegnante
Sa che e’ risolvibile ….
…. usando gli strumenti dell’ultima lezione!
Esempi di questioni aperte
Perche’ m(top) ~ 108 m(e)?
Perche’ m(neutrino) ~ 10-9 m(e)?
Qual’e` la vera origine della massa?
Perche’ 3 famiglie di quarks e leptoni?
Perche’ Fgravita ~ 10-40 Felettrica ?
Sono le particelle veramente puntiformi?
Stringhe?? Membrane?
Perche’ D=3+1?
E’ la gravita’ consistente con la MQ?
Come e’ veramente avvenuto il Big Bang?
Insegnanti al CERN
http://teachers.cern.ch/
La fisica classica si puo’
insegnare anche cosi’ ??
Moto di particelle in
campi magnetici
Leggi di
conservazione dell’
impulso
Leggi di
conservazione della
carica
….
FINALE
Se avete capito tutto, forse non avete
bisogno di restare fino a mercoledi’
Senno’, le lezioni che seguiranno
esploreranno in dettaglio tutti gli aspetti (e
piu’) che ho introdotto
Conclusioni?
A MERCOLEDI’ SERA!!
P.S. Perche’ facciamo la
fisica delle particelle?
Perche’ ci si diverte
come matti!!
