Il Modello Standard delle
Particelle e delle Interazioni
Marina Cobal
25 Novembre 2004
Di cosa e’ fatto il mondo?
• Anticamente: 4
elementi
• 19mo secolo – atomi
• Inizio 20mo secolo –
electroni, protoni,
neutroni
• Oggi – quark and
leptoni
L’ atomo nel 1900...
• Gli atomi interagiscono
attraverso reazioni
chimiche
• Piu’ di 100 atomi conosciuti
(H, He, Fe …)
• La struttura interna non era
conosciuta – ma si sapeva di
una craica elettrica interna
Tavola Periodica
• Gli elementi sono
raggruppati in famiglie
con proprieta’ simili
(Gas inerti: He, Ne
etc.). Si arriva alla
tavola periodica
• Questo suggerisce una
struttura con elementi
costituenti piu’
semplici
Modello per l’atomo
• Con gli esperimenti si
riesce a “spaccare” gli
atomi
• Particelle leggere a
carica negativa
(elettroni) intorno ad
un nucleo positivo e
pesante
• L’ atomo e’
praticamente vuoto
Il nucleo
• Il nucleo e’ piccolo e
denso. Per un po’ si penso’
che fosse puntiforme
• Ma vi erano tanti nuclei
diversi quanti erano gli
atomi
• Semplificazione – tutti i
nuclei sono fatti di protoni
carichi e neutroni neutri.
Quarks
• Adesso sappiamo che
anche protoni e neutroni
non sono unita’
fondamentali
• Sono composti da
particelle piu’ piccole
dette quarks
• Per il momento questi
quarks sembrano essere
puntiformi
L’ atomo moderno
• Una nuvola di elettroni
in moto costante
intorno al nucleo
• Protoni e neutroni in
moto nel nucleo
• Quarks in moto nei
protoni e nei neutroni
Dimensioni (sub)-atomiche
• Il nucleo e’ 10,000 volte
piu’ piccolo dell’atomo
• Il protone ed il
neutrone sono 10 volte
piu’ piccoli del nucleo
• Non ci sono evidenze
che i quarks abbiano
dimensione ….
Nuove Particelle
• Collisions of electrons and nucleii in cosmic
rays and particle accelerators beginning in
the 1930’s led to the discovery of many new
particles
• Some were predicted but many others came
as surprises
• Muon like a heavy electron: ‘Who ordered
that?’
• At first, all of them were thought to be
fundamental
All’inizio erano poche…
E molte piu’….
Introducendo i quarks..
La mia tesi di Dottorato!!
Supervisori: H. Grassmann, G. Bellettini
Cosa e’ fondamentale?
• I fisici hanno trovato centinaia di nuove
particelle
• Oggi sappiamo che la maggior parte non
sono fondamentali
• Abbiamo sviluppato una teoria, detta
Modello Standard, che sembra spiegare
bene quello che osserviamo in natura
• Questo modello include 6 quarks, 6 leptoni
e 13 particelle che trasportano le forze tra
quarks e leptoni
Di cosa e’ fatto il mondo?
• Il mondo reale non e’ composto da singoli
quarks
• I quarks esistono solo in gruppi, a formare I
cosiddetti adroni (protoni e neutroni sono
adroni)
• Esempio: un protone e’ composto da 2 quark
di tipo up e da un quark di tipo down
• La materia che ci circonda – e noi stessi – e’
composta da quark up e down e da elettroni
Famiglie
• I 6 quarks ed I 6 leptoni
sono organizzati in famiglie
• Le 3 famiglie presentano
analogie
• Perche’ servono una seconda
ed una terza generazione?
• I quarks hanno carica
frazionaria (+2/3 e -1/3). I
leptoni hanno carica -1 o 0
Ed i leptoni?
• Ci sono 6 leptoni, 3 carichi e 3 neutri
• Appaiono essere particelle puntiformi senza
una struttura interna.
• Gli elettroni sono i piu’ comuni e sono quelli
che si trovano nella materia ordinaria.
• Muoni (m) e taus (t) sono piu’ pesanti e
carichi come l’elettrone.
• I neutrini non hanno carica, ed hanno una
massa estremamente piccola.
Materia ed Antimateria
• Per ogni particella
trovata, esiste una
corrispondente
particella di
antimateria, o antiparticella.
• Queste particelle
appaiono come le loro
sorelle di materia, ma
hanno carica opposta.
• Le particelle sono
create o distrutte in
coppia.
Quattro Forze
• Ci sono 4 interazioni
fondamentali in natura
• Tutte le forse possono
essere attribuite a queste
interazioni
• La gravita’ e’ attrattiva, le
altre possono essere
repulsive
• Le interazioni sono anche
responsabili dei
decadimenti
Come interagiscono le
particelle?
• Gli oggetti possono interagire
senza toccarsi
• Come esercitano la loro
attrazione – repulsione i
magneti?
• Come il Sole attrae la Terra?
• Una forza e’ qualcosa che si
comunica tra gli oggetti
Elettromagnetismo
• Le forze
elettromagnetiche
fanno si che cariche
opposte si attraggano
e cariche uguali si
respingano
• Il portatore della
forza e’ il fotone (g)
• Il fotone e’ senza
massa e si propaga alla
velocita’ della luce
E-M residua
• Normalmente gli atomi
sono neutri avendo lo
stesso numero di
protoni e neutroni
• La parte carica di un
atomo puo’ attrarre la
parte carica di un altro
atomo
• Gli atomi si possono
cosi’ legare in
molecole.
Perche’ un nucleo non esplode?
• Un nucleo pesante
contiene molti protoni,
tutti con carica
positiva
• Questi si respingono
• Perche’ allora il nucleo
non esplode?
Forza Forte
• In aggiunta alla carica
elettrica, i quarks
portano anche un nuovo
tipo di carica, detta
“carica di colore”
• La forza tra le
particelle che hanno
carica di colore e’
detta forza forte
Il Gluone
• La forza forte tiene
insieme i quarks a
formare gli adroni. I
portatori della forza
forte sono i gluoni: ci
sono 8 diversi gluoni
• La forza forte agisce
solo su corte distanze
Colore e Anti-colore
• Ci sono 3 cariche di
colore e 3 cariche di
anti-colore
• Notare che questi
colori non hanno
niente a che fare con
il colore e con la luce
visibile..e’ solo un
modo di descrivere la
fisica
Quark colorati e gluoni
• Ogni quark ha una
delle 3 cariche di
colore ed ogni
antiquark ha una
delle 3 cariche di
anti-colore
• Barioni e mesoni
sono neutri in
colore
Confinamento dei quarks
• La forza di colore diventa
piu’ forte a grandi
distanze
• Le particelle con carica di
colore non possono
esistere isolate
• I quarks sono confinati
con altri quarks a formare
gli adroni
• I composto sono neutri in
colore
I quarks emettono gluoni
• Quando un quark
emette o assorbe un
gluone, il colore del
quark cambia affinche’
la carica di colore si
conservi
• Un quark rosso emette
un gluone rosso/antiblu e diventa blu
Forza forte residua
• La forza forte tra i
quarks in un protone
ed i quarks in un altro
protone e’
abbastanza intensa
da superare la forza
di repulsione
elettromagnetica.
Forza debole
• Le interazioni deboli sono
responsabili del decadimento
dei quarks e dei leptoni
pesanti in quarks e leptoni piu’
leggeri
• Esempio:il neutrone decade in
protone+elettrone+neutrino
• Questo spiega perche’ tutta
la materia e’ composta dai
leptoni e quarks piu’ leggeri
Forza elettrodebole
• Nel Modello Standard la forza
elettromagnetica e quela debole
sono state unificate in una unica
forza eletro-debole
• A distanza molto piccole (~10-18
meters), le interazioni deboli ed
elettromagnetiche hanno la
stessa intensita’
• I portatori della forza sono,
fotoni, W e Z.
E la gravita’?
• La gravita’ e’ molto debole
• E’ importante a distanze
macroscopiche
• Il portatore della forza
gravitazionale, il
gravitone, e’ predetto
dalla teoria ma non e’ mai
stato osservato
Riassunto delle interazioni
Quanto Meccanica
• Il comportamento di atomi e particelle e’
descritto dalla Meccanica Quantistica
• Certe proprieta’, come l’energia, possono
avere solo certi valori discreti, non sono un
continuo
• Le proprieta’ della particella sono descritte
da questi valori (numeri quantici) come:
–
–
–
–
Carica Elettrica
Carica di colore
Sapore
Spin
Il principio di esclusione di Pauli
• Possiamo usare le
proprieta’ quantistiche
delle particelle per
classificarle.
• Alcune particelle,
dette Fermioni,
obbediscono al
principio di Esclusione
di Pauli, mentre altre –
i bosoni – no.
Fermioni e Bosoni
Che cosa tiene il mondo insieme?
• Abbiamo imparato che il mondo e’
fatto da 6 quarks e 6 leptoni
• Tutto quello che vediamo e’ un
agglomerato di quarks e leptoni. Cosa
li tiene insieme?
• Ci sono quattro forze diverse,
caratterizzate da diversi portatori.
Il nucleo instabile
• Abbiamo visto che le
forze forti tengono il
nucleo insieme
contrapponendosi alle
forze di repulsione tra
i protoni
• Tuttavia non tutti i
nuclei sono stabili
• Alcuni decadono
Decadimento nucleare
• Il nucleo puo’
scindersi in nuclei
piu’ piccoli
• E’ come se dal
nucleo saltassero
fuori dei suoi pezzi
piu’ piccoli
• Questo succede
per esempio in un
reattore nucleare
Decadimento del muone
• E’ un esempio del
decadimento di una
particella
• Qui le particelle prodotte
non sono “pezzi” della
particella iniziale, ma sono
altre particelle
completamente nuove.
Massa mancante
• Nella maggior parte dei
decadimenti, le particelle
od il nucleo che
rimangono hanno una
massa totale minore
della massa della
particella o del nucleo
originario.
• La massa mancante si e’
trasformata in energia
cinetica dei prodotti di
decadimento
Mediatori del decadimento
• Quando una particella decade, si trasforma
in una particella piu’ leggera ed in una
particella portatrice delle forze (il bosone
W)
• Una particella decade se la sua massa totale
e’ maggiore della somma delle masse dei
prodotti di decadimento e se c’e’ una forza
che media il decadimento
Particelle Virtuali
• Particles decay via force-carrier particles
• In some cases, a particle may decay via a
force-carrier that is more massive than the
initial particle
• The force-carrier particle is immediately
transformed into lower-mass particles
• The short-lived massive particle appears to
violate the law of energy conservation
Annichilazione
• Non sono decadimenti ma avvengono
ugualmente grazie a particelle virtuali
• L’annichilazione di quarks leggeri ad
energie elevate puo’ portare alla
produzione di quarks pesanti nel
laboratorio
Annichilazione dell’antiprotone
• Questa camera a bolle
mostra un antiprotone
che urta contro un
protone, annichilando e
producendo 8 pioni. Uno
dei pioni decade poi in
un muone ed un neutrino
(che non lascia nessuna
traccia)
Decadimento beta del neutrone
Annichilazione
elettrone-positrone
Produzione di top
Misteri e Fallimenti
• Il Modello Standard e’ una teoria dell’
universo
• Da una buona descrizione dei fenomeni che
osserviamo sperimentalmente
• Sotto molti aspetti e’ incompleto: perche’ ci
sono 3 generazioni? Che cosa e’ la materia
oscura?
E’ sbagliato il
Modello Standard?
• Dobbiamo adesso andare oltre il
Mdello Standard, proprio come
Einstein ha esteso le leggi della
meccanica di Newton con la Teoria
della Relativita’.
• Dobbiamo farlo per spiegare le masse,
la gravita’ etc…
Tre famiglie
• Ci sono 3 famiglie
di particelle
fondamentali
• Perche’ sono 3?
• E perche’ ne
vediamo solo una
nel mondo reale?
E cosa si puo’ dire sulle masse?
• Il Modello Standard non
puo’ spiegare perche’ una
particella ha una certa
massa
• I fisici hanno teorizzato
l’esistenza di un nuovo
campo, detto di Higgs, che
interagisce con le altre
particelle per dare loro la
massa.
• Per adesso l’Higgs non e’
stato psservato
sperimentalmente.
Teoria di Grande Unificazione
• Si crede che una GUT
unifichera’ le forze forte,
debole ed elettromagnetica
• Queste 3 forse saranno
allora visibili come
manifestazioni diverse – a
bassa energia – di una
stessa forza
• Le 3 forze si unirebbero ad
una energuia alquanto
elevata.
Supersimmetria
• Alcuni fisici, nel tentativo di
unificare la gravita’ con le
altre forze fondamentali,
hanno suggerito che ogni
particella fondamentale
dovrebbe avere una
particella “ombra” (shadow).
Sono piu’ di 20 anni che
cerchiamo queste particelle
supersimmetriche
• La fisica di oggi ha teorie per la meccanica
quantististica, per la relativita’ e per la
gravita’, ma queste teorie sono separate.
• Se vivessimo in un mondo con piu’ di 3
dimensioni spaziali forse si potrebbe
superare questo problema.
• La teoria delle stringhe suggerisce che in
un mondo in cui ci sono le 3 dimensioni
standard, e qualche dimensione addizionale
purche’ piccola, le particelle sono stringhe
Extra Dimensioni
• La Teoria delle stringhe
richiede piu’ delle 3
dimensioni
• Queste extra dimensioni
possono essere cosi’
piccole che non le
possiamo vedere
• Gli esperimenti adesso
cercano evidenze per
queste extra dimensioni
Materia Oscura
• Sembra che l’Universo
non sia fatto della stessa
materia come il nostro
Sole e le stelle
• La materia oscura
esercita una attrazione
gravitazionale sulla
materia, ma non e’ stata
ancora rivelata.
L’ Universo in accelerazione
• Esperimenti recenti che
utilizzano Supernovae di
Tipo Ia hanno mostrato
che l’ Universo si sta
ancora espandendo e che il
rate di espansione sta
aumentando
• Questa accelerazione deve
essere guidata da un nuovo
meccanismo che e’ stato
chiamato energia oscura.
L’Universo in espansione
• Gli studi sulla piu’
lontana Supernova
indicano che l’ Universo
ha attraversato una fase
di rallentamento dell’
espansione
• Attualmente l’ Universo
sta accelerando.
Conclusioni
• Il Modello Standard e’ una potente sintesi
che spiega un gran numero di osservazioni
sperimentali. Rappresenta per la fisica
quello che la biologia e’ per l’evoluzione
• Ci sono ancora molte domande aperte. La
teoria delle stringhe per adesso NON da
nessuna risposta!
E se vi interessa..
• Venite a trovarci al Dipartimento di Fisica
dell’ Universita’ di Udine!
• Un grazie alla Prof. Michelini e a:
CIRD (Centro Interdipartimentale Ricerca Didattica)
URDF (Unita’ di Ricerca Didattica della Fisica)
CLDF (Centro Laboratorio Didattica della Fisica)
