Le particelle elementari

Le particelle elementari
Le particelle elementari
Masterclass Europea
in
Fisica delle Particelle Elementari
Teachers’ day – Torino, 18 marzo 2006
Nicolo Cartiglia -INFN Torino
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Le particelle elementari
Cosa vuol dire studiare
“Fisica delle Particelle Elementari” ?
Vuol dire cercare di rispondere a domande
tipo:
Di cosa è fatta la materia che ci circonda?
Quale origine hanno le forze che tengono
insieme i componenti della materia?
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Le particelle elementari
Riduzionismo
Il riduzionismo e’ il processo fondamentale usato
in fisica per la comprensione della realta’:
Le proprieta’ dei sistemi complessi si possono
interpretare in termini delle proprieta’ delle
parti piu’ semplici che li compongono e delle
forze che intervengono a comporli
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Le particelle elementari
Comportamenti emergenti
Una proprietà emergente è una proprietà di
qualche totalità complessa che non può essere
spiegata nei termini delle proprietà delle sue
parti.
“Senatores boni viri, senatus autem mala bestia”
Comportamenti emergenti sono spesso invocati
in altre discipline tipo le scienze sociali o
biologia
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Le particelle elementari
Riduzionismo in altre scienze
In fisica delle particelle il “riduzionismo” e’
universalmente accettato.
In biologia (come in altre scienze) la situazione e’
molto meno chiara. Vi e’ un dibattito molto
intenso per capire se la soluzione a problemi
complessi (cancro, schizofrenia, depressione..)
sia trovabile attraverso lo studio del genoma
(riduzionismo).
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Le particelle elementari
La fisica delle particelle
L’approccio riduzionista in fisica delle particelle ha
portato a moltissimi progressi.
Ogni ulteriore livello di “riduzione” porta con se`
una grande quantita’ di informazioni.
Il passaggio da un livello a quello successivo
avviene attraverso lo studio di regolarita’ che
indicano la presenza di una sotto-struttura
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Le particelle elementari
Sottostrutture
Regolarita’ negli atomi
Regolarita’ nei nuclei
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Le particelle elementari
Il cammino degli ultimi 50 anni
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Le particelle elementari
Il modello Standard
La teoria che ci aiuta a capire le particelle elementari e’
chiamata Modello Standard
Il modello standard vuole descrivere sia la materia che
tutte le forze dell'universo (esclusa la gravità). La
sua bellezza consiste nella capacità di spiegare
centinaia di particelle e interazioni complesse con
poche particelle e interazioni fondamentali.
•
•
•
Alto potere predittivo
Confutabile
Incompleto
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Le particelle elementari
Il modello Standard
Idea chiave:
Ci sono due generi di particelle:
•
particelle che sono materia
(i quark ed i leptoni)
•
particelle che mediano le forze
(ogni tipo di interazione fondamentale agisce
"mediante" una particella mediatrice di forza)
In seguito la gravita` viene inclusa nella discussione
anche se in realta’ non appartiene al modello
standard.
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Le particelle elementari
Il Modello Standard: le particelle
Carica
elettrica
3 generazioni
I mediatori:
piu’ pesante
+2/3
-1/3
0
-1
u
c
t
quark
d
s
b
ne
nm
nt
e
m
t
g
gluoni (8)
g
fotone
W+,W-, Z bosoni
gravitone
leptoni
Fondamentali: queste
particelle sono ritenute
senza struttura interna
(anche se non e`
esclusa)
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Le particelle elementari
Il Modello Standard: le forze
Le particelle elementari interagiscono tra loro tramite messaggeri,
Le forze che conosciamo in natura sono:
Forza gravitazionale:
Forza elettromagnetica:
Forza forte:
Forza debole:
Caduta dei corpi, moto stellare…
messaggero: gravitone
magneti, atomi, chimica…
messaggero: fotone
tiene uniti i protoni e i neutroni nel
nucleo anche se di carica uguale e
tiene uniti i quark
messaggero: gluone
radioattività, attività solare …
messaggeri: W e la Z
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Le particelle elementari
Il Modello Standard: materia ed
antimateria
Il Modello Standard prevede che per ogni particella di
materia ci sia la sua anti-particella.
- i mediatori non hanno le
antiparticelle: non esistono
gli anti-gluoni o gli antifotoni!
- le anti-particelle hanno
cariche opposte a quelle
delle particelle
- se una particella e la sua
anti-particella si
incontrano si annichilano
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Le particelle elementari
Le forze ed i messaggeri
E’ importante sottolineare che nel Modello Standard le
forze agiscono perche’ sono trasmesse da una
particella.
Non esistono forze “a distanza” ma affinche’ una forza
agisca il suo messaggero deve andare da una
particella ad un’altra.
Spostati, mi
manda uno della
tua stessa carica
+
+
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Le particelle elementari
Le forze e le cariche
I messaggeri delle forze si accoppiano a qualita’
specifiche delle particelle chiamate cariche
Forza
Accoppiamento
Quantita’
Elettromagnetica
Carica elettrica
1
Forte
Colore
3 (rosso, blu,
verde)
Gravita’
Massa
1
Nota: la carica elettrica e’ una sola, che puo` essere
positiva o negativa. Per il colore le cariche sono 3 ed
anche loro possono essere positive o negative.
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Le particelle elementari
Le forze non agiscono su tutte le
particelle
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Le particelle elementari
La forza di colore
La forza di colore e’ molto diversa dalle altre
• Ci sono 3 cariche (3 colori):
• Lo scambio di un gluone puo` cambiare il colore
del quark.
g
• I gluoni sono colorati, cioe’ sono carichi, e quindi
interagiscono tra di loro
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Le particelle elementari
Interazione di colore
Nota:
• L’interazione cambia il
colore dei quark (non
sempre) mentre i fotoni
non cambiano il valore
di una carica
• I gluoni hanno carica,
mentre il fotone e’
neutro. Ci sono 8
gluoni, ciascuno porta
una unita di colore ed
una unita` di anticolore: RR, GG, BB,
BG…
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Le particelle elementari
Le forza di colore (cont-)
Il fatto che i gluoni interagiscono fra di loro rende la forza
forte completamente diversa dalle altre:
aumenta con la distanza!
Due particelle colorate non possano essere separate: piu`
le si allontana e piu` la forza aumenta fino a che nelle
linee di forza c’e’ cosi’ tanta energia che altre particelle
vengono create
Non si puo` avere una
carica di colore libera
e quindi tutte le
particelle “libere”
devono essere
bianche
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Le particelle elementari
Le forze attrattive e repulsive
Le forze in natura sono molto diverse tra loro.
Vediamo degli esempi di sistemi legati :
particella particella
particellaparticellaparticella
particella antiparticella
Elettromagnetica
No
No
Si
Forte
No
Si
Si
Gravita’
Si
Si
Si
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Le particelle elementari
I “diagrammi” delle forze
Nel Modello Standard ogni interazione puo` essere descritta in
termini di un diagramma e di un numero, la costante di
accoppiamento a, che descrive quanto quel vertice sia probabile
a ~ 1/137
a~1
a ~ 0.000001
a_gravita’ ~ 10-39
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Le particelle elementari
Leggi di conservazione
La somma dei diagrammi permessi generano delle leggi di
conservazione.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Energia
Momento
Momento angolare
Carica elettrica
Carica di colore (quark e gluoni)
Numero di quark (numero di quark meno gli antiquark)
Numero elettronico (numero di elettroni piu numero di neutrini elettronici
meno il numero delle loro antiparticelle)
8. Numero muonico
9. Numero tauonico
Queste regole sono assolute, tutte le reazioni devono
obbedirle. Ci sono altre leggi obbedite solo dalle
interazioni forti
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Le particelle elementari
Forze: tabella riassuntiva
Interazione
Mediatore Forza
Raggio Vita media
EM
g
1/137
Infinito
Weak
W, Z
10 - 6
10
- 18
– 15
10 - 20
m 10 - 8
Strong
G
1
10
m
Gravity
g
10 - 39
Infinito
10 - 23
Infinito
In caso di competizione vince la forza che agisce prima!
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Le particelle elementari
Interazioni tra molte particelle
Il Modello Standard descrive l’interazione tra due particelle,
non il comportamento di un sistema complesso quale un atomo.
Per spiegare sistemi a “multicorpi” si usano strumenti diversi
che descrivono in modo globale il comportamento di molte
particelle.
Esempio tipico e’ la termodinamica: nessuno usa le equazioni del
Modello Standard per spiegare il comportamento di un gas:
PV = nRT
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Le particelle elementari
Particelle: comuni e rare
I mediatori:
c
t
g
gluoni (8)
g
fotone
d
s
b
W+,W-, Z bosoni
ne
nm
nt
e
m
t
u
La materia di cui siamo fatti
e’ della I generazione
Si possono produrre
in laboratorio
Raggi cosmici
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Le particelle elementari
Come si creano le particelle in
laboratorio?
Attraverso urti tra particelle si possono
creare altre particelle: l’energia delle
particelle viene trasformata in materia!
protone
Einstein: E=mc2
la massa si può
trasformare
in energia e viceversa.
quark
protone
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Le particelle elementari
Anti-materia al lavoro
Se negli urti si usano particelle ed anti-particelle non solo
l’energia del moto e’ disponibile per creare nuove particelle
ma anche la massa delle particelle entranti
Un quark ed un
anti-quark si
annichilano e
formano nuove
particelle
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Le particelle elementari
I decadimenti
Le particelle piu` pesanti (sia elementari che
composte) decadono in particelle piu` leggere
I decadimenti avvengono seguendo
le regole (per esempio la
conservazione della carica)
descritte dal Modello Standard
nm
m
ne
W
e
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Le particelle elementari
Lo zoo delle particelle: adroni
u
c
t
d
s
b
Negli urti si creano centinaia di particelle
che sono in realta` stati legati:
Barioni (qqq): p,n
Mesoni (q-anti q): p,K,w,r,y
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Le particelle elementari
Simmetrie nella fisica delle particelle
Le particelle prodotte negli urti possono
essere “catalogate” in famiglie:
evidenza di sottostruttura!
Queste simmetrie
sono state usate
per predire particelle
mancanti
K
S= -1
S= 0
S= 1
K+
0
Π
π+
π0
-
;η
K
-
Q=-1
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¯
K
0
Q=1
Q=0
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Le particelle elementari
Simmetrie (cont-)
Le simmetrie sono anche una guida nella ricerca di
nuovi fenomeni. La scoperta dei quark ne e’
un’esempio:
1974
Situazione iniziale:
u
c
t
d
s
b
1995 !
1977
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Le particelle elementari
Due grandi gruppi: fermioni e bosoni
Il valore dello spin determina differenze fondamentali tra le particelle.
Se lo spin e’ intero allore le particelle sono bosoni, altrimenti fermioni
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Le particelle elementari
Fermioni e Bosoni
I fermioni rispettano il Principio di esclusione di Pauli:
Non possono esistere nello stesso posto nello stesso tempo
due particelle nello stesso stato (identico spin, identica carica
di colore, identico momento angolare, etc.)
I fermioni sono come noi
(non ci possiamo sedere in
un posto al cinema gia’
occupato) mentre le
particelle sorprendenti sono
i bosoni per cui c’e’ sempre
posto al ristorante…
Un camion porta-bosoni:
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Le particelle elementari
Fermioni e Bosoni (cont-)
Effetti fermionici:
I livelli energetici degli elettroni negli atomi (gli orbitali) si
popolano perche’ gli elettroni (che sono fermioni) non
possono stare tutti nel livello piu` basso
Effetti bosonici:
Il laser, sovrapposizione coerente di fotoni, puo` capitare
solo perche’ i fotoni sono bosoni
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Le particelle elementari
Come si studiano le particelle elementari?
Le particelle si studiano misurandone:
•
•
•
•
•
la massa
la carica
la vita media
lo spin (la “velocita’ ” di rotazione)
gli stati eccitati
Gli adroni (fatti da quark) si catalogano a seconda
della loro composizione interna e momento
angolare. Sono stati trovati piu` di duecento
adroni.
Purtroppo ultimamente non si sono piu` trovate
particelle inaspettate…
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Le particelle elementari
Stati eccitati delle particelle elementari
Cosi’ come e’ capitato per l’atomo lo studio dei livelli
eccitati di una particella e’ di grande aiuto per capirne
la sua dinamica interna.
Consideriamo la particella
J/Psi, stato legato formato
dal quark c – antiquark c:
Lo studio di questi livelli
aiuta la comprensione della
teoria del colore.
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Le particelle elementari
Come si calcola un processo nel Modello
Standard?
Il primo passo per calcolare un processo e’ scrivere il
“diagramma di Feynman” corrispondente. Dopodiche si calcolano
i termini. Vediamo degli esempi di diagrammi:
Decadimento del neutrone
Decadimento del pione
Ogni vertice e linea interna ha
una certa probabilita’.
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Le particelle elementari
Da dove viene la massa delle particelle
composte (adroni)?
Il protone e’ composto da 3 quark: uud
La somma delle masse dei quark uud e’ molto piu` piccola
dalla massa del protone:
La differenza di massa e’ dovuta alle interazioni tra i quark.
Anche se in teoria si sanno calcolare queste interazioni, in
pratica non si riescono ad ottenere le masse degli adroni.
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Le particelle elementari
Massa (GeV)
Da dove viene la massa delle particelle
fondamentali?
t
u
c
~0.001
~1.5
~180
g
gluoni (8)
0
d
s
b
g
fotone
0
~0.001
~0.1
ne
nm
~0.
~0.
e
m
~0.0005
~0.100
Le particelle forza
W+,W-, Z bosoni
~4.5
nt
~0.
t
Massa
80/90
GeV
Il modello standard non predice le
masse delle particelle.
I valori delle masse sono stati
misurati sperimentalmente
~1.7
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Le particelle elementari
La massa delle particelle fondamentali
Colpiamo con la forza di un Newton due palle di massa molto piccola,
una quasi liscia ed una rugosa, posate su di un tappeto soffice.
Ne misuriamo l’accelerazione:
a = 1 m/s2
1N
a = 0.5 m/s2
Calcoliamone la massa assumendo che non ci sia attrito:
= 1 Kg
= 2 Kg
Assunzione
sbagliata
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Risposta
sbagliata
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Le particelle elementari
La massa (cont-)
Trasportiamo quest’esempio alle particelle elementari.
Consideriam il quark top e l’elettrone:
Il quark top pesa circa 300.000 volte piu` dell’elettrone.
Nel modello standard entrambe hanno massa nulla!
Sembrano che abbiano massa perche` si muovono (con fatica)
interagendo con il campo di Higgs
Elettrone
Top
Campo di Higgs
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Le particelle elementari
La massa (cont -)
Idea chiave:
Nel Modello Standard le particelle non hanno massa.
La massa e’ una proprieta’ che viene acquisita attraverso
l’interazione con il bosone di Higgs: sembrano avere massa
perche` interagiscono con il bosone di Higgs e diventano
piu` difficili da spostare.
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Le particelle elementari
La domanda attuale: esiste il
“Bosone di Higgs” ?
Al momento non abbiamo nessuna evidenza sperimentale
dell’esistenza del bosone di Higgs…..
E’ possibile che la teoria sia giusta e che il bosone di Higgs
venga misurato ad LHC, la prossima macchina in costruzione
al CERN di Ginevra.
E’ anche possibile che la teoria non sia giusta e che non si
trovi niente.
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Le particelle elementari
Problema ulteriore
Supponiamo di trovare il bosone di Higgs: straordinario successo
della teoria, finalmente sappiamo perche` abbiamo massa (anche
troppa):
Bosone di Higgs
dieta
Domanda: perche’ l’elettrone si accoppia meno del quark top con il
bosone di Higgs ed e’ quindi piu` leggero?
Tristemente non abbiamo una risposta a una domanda cosi` ovvia
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Le particelle elementari
Ulteriori problemi
Nel Modello Standard ci sono molte altre cose che non
capiamo
Per esempio:
•
•
•
•
Perche le generazioni sono 3? C’e’ una sottostruttura?
Perche le masse sono quelle che sono?
Dov’e’ finita l’antimateria creata nel Big-Bang?
Dove la mettiamo la gravita’?
La soluzione a questi ed altri problemi non la si sa. La
possibilita’ piu` accettata al momento e’ che il Modello
Standard sia solo una parte di una teoria piu` grande
chiamata la “Supersimmetria”
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Le particelle elementari
La Supersimmetria
La “Supersimmetria” risolve molti problemi teorici ed introduce
per ogni particella nota un compagno “supersimmetrico”
Putroppo fino ad adesso
nessuna particella
supersimmetrica e’ stata
trovata…..
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Le particelle elementari
Grande unificazione
Il sogno finale e’ di avere un’unico modello che spiega “tutto”.
Queste teorie vengono chiamate GUT, Teorie di Grande
Unificazione.
Il primo passo e’
stato fatto…
Livello attuale
Direzione
della
ricerca
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Le particelle elementari
Conclusioni
La fisca delle particelle e’ in un momento di transizione:
• Si e’ dimostrata la validita’ del Modello Standard ma sappiamo
che e’ solo un’approssimazione
• Tutte le ricerche di effetti non inclusi nel Modello Standard si
sono rivelate infruttuose
• Il prossimo acceleratore, quasi pronto al CERN, potrebbe
portare moltissime novita`
•Mandateci tanti studenti bravi…..
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