Modello Standard
… e oltre
Danilo Babusci
INFN - Laboratori Nazionali di
Frascati
Fisica delle Particelle Elementari (FdP)
Si interessa del comportamento fisico dei costituenti
fondamentali del mondo, ovvero di oggetti al contempo
molto piccoli e molto veloci
è l’arena naturale per l’esibizione simultanea della
Meccanica Quantistica e della Relatività Speciale
piccole dimensioni
alte velocità
Meccanica Quantistica (in breve)
Elementi essenziali della descrizione del mondo
microscopico (diversi da quelli del mondo macro)
leggi naturali sono di natura probabilistica
posso conoscere soltanto la probabilità di un evento:
è (in linea di principio) impossibile prevedere quando
decadrà un atomo eccitato
dualità onda-particella
onde e particelle appaiono come aspetti differenti
della stessa entità
Meccanica Quantistica (in breve)
particella come onda fenomeni d’interferenza
Meccanica Quantistica (in breve)
A. Tonomura et al. American Journal
of Physics 57, 117 (1989)
Meccanica Quantistica (in breve)
onda come particella effetto fotoelettrico
luce
elettroni
metallo
• maggiore è l’intensità della luce, maggiore è il
numero di elettroni, della stessa energia, emessi
• maggiore è la frequenza della luce incidente,
maggiore è l’energia degli elettroni
inspiegabili nell’ambito della fisica classica: l’energia di
un’onda e.m. dipende dall’intensità, non da frequenza
Meccanica Quantistica (in breve)
Einstein (1905): l’energia del fascio di luce è distribuita
in pacchetti (quanti) di grandezza hinteramente
trasferibili all'elettrone
Einstein (1915): nelle interazioni con la materia i quanti
trasferiscono, oltre all’energia, anche un impulso (mv)
→ costante di Planck
rafforzato lo status particellare della luce: fotoni
NB
massa fotone = 0
Meccanica Quantistica (in breve)
Conseguenze natura ondulatoria della materia
• elettrone è onda stazionaria all’interno dell’atomo
(orbita contiene numero intero di lunghezze d’onda)
Meccanica Quantistica (in breve)
l’energia associata al moto dell’elettrone è quantizzata
Meccanica Quantistica (in breve)
• principio d’indeterminazione (Heisenberg)
incertezza
nella posizione
incertezza
nell’ impulso
perde senso il concetto di traiettoria
Non solo …
… è concessa violazione arbitraria della legge di
conservazione dell’energia purché duri per un tempo
corrispondentemente piccolo
Meccanica Quantistica (in breve)
Piccolo tempo
d’esposizione
forma SI - velocità NO
Grande tempo
d’esposizione
forma NO - velocità SI
Campi Quantistici
L’aspetto probabilistico sembra essere l’essenza
ultima delle leggi fondamentali della natura
La fusione dei concetti di onda e particella richiede
l’abbandono di alcune idee classiche:
•
Onda: rinuncia all’idea di un mezzo materiale
che vibra e fornisce supporto alla propagazione
•
Particella: rinuncia all’idea della localizzabilità
onda - particella campo quantistico
Interazioni tra Campi
Fisica Classica
Fisica Quantistica
t
e-
e-
e-
e-
e-
e-
x
e- si avvicinano mutua
repulsione rallentati e deviati
azione a distanza
e- emette cambia velocità
e- assorbe cambia velocità
interazione = scambio del
Campi Fondamentali
Caratterizzazione delle proprietà di trasformazione
delle particelle sotto rotazioni spaziali spin
Campi Fondamentali
quantità determinata che rappresenta il momento
angolare intrinseco della particella
(idea intuitiva di spin: particella come “trottola” in rotazione è
falsa: oggetto puntiforme non può ruotare su stesso)
campi suddivisi in 2 grandi categorie
fermioni = spin semidispari (1/2, 3/2, …)
bosoni = spin intero (0,1, 2, …)
Campi Fondamentali
2 tipi diversi di campi osservati in natura
Campi
Materiali
Mediatori
Interazioni
fermioni a
spin 1/2
leptoni
quarks
bosoni
Campi Materiali
1^ Famiglia
2^ Famiglia
3^ Famiglia
Campo
q/e
m (GeV)
e
e
-1
0
5 x 10-4
< 3 x 10-9
u
d
2/3
-1/3
3 x 10-3
6.8 x 10-3
-1
0
0.106
< 1.9 x 10-4
c
s
2/3
-1/3
1.2
0.12
-1
0
1.78
< 18.2 x 10-3
t
b
2/3
-1/3
174.3
4.3
Campi Materiali
Dove sono il protone, il neutrone, i pioni, … ??
Esperimenti di diffusione di elettroni su protoni/neutroni
mostrano che quest’ultimi non sono particelle elementari,
ma possiedono componenti interni: quarks (Gell-Mann,
Zweig)
Caratteristiche essenziali dei quarks
carica elettrica frazionaria (+/- 1/3, +/- 2/3)
carica di colore ciascun tipo (sapore) esiste
in 3 versioni: rosso, verde, blu (antiquarks
portano anticolore)
Campi Materiali
Regole di combinazione dei quarks: solo oggetti bianchi,
ovvero {RVB} oppure {colore – anticolore}, a carica elettrica
intera (o nulla)
Esempio: protone e neutrone tripletti di quarks
p = {u, u, d}
n = {d, d, u}
pioni coppie quark-antiquark
+ = {u, d }
- = {d, u}
Natura aborre stati di colore isolati: mai osservati
quarks liberi
Interazioni
Gravitazione & E.M*.: familiari nella vita quotidiana
(causa il raggio d’azione infinito)
Debole*: responsabile della radioattività
(decadimento del neutrone n p + e- + e )
Forte: inizialmente ritenuta responsabile del legame
nucleare e mediata dal pione. Natura composta di p,
n, interpretata come residuo dell’interazione di
colore tra quarks mediata da gluoni colorati
(trasportano colore-anticolore 8 combinazioni diverse)
* in realtà manifestazioni di una stessa interazione:
Elettrodebole (Glashow, Weinberg, Salam)
Interazioni
Interazione
Carica
R
Forza
Azione
(cm)
Gravitazionale
energia
10-43
Q,L
E. M.
elettrica
10-2
Q,L
Debole
debole
10-15
10-5
Q,L
Forte (Colore)
colore
10-13
1
Q
4 interazioni per spiegare tutto l’Universo
Interazioni
Interazione
Mediatore
Spin
m (GeV)
Gravitazionale
Gravitone (G)
2
0
Elettromagnetica
Fotone ()
1
0
Debole
3 Bosoni (W, Z0)
1
80.4, 91.2
Forte (Colore)
8 Gluoni (gi)
1
0
The Standard Model
Gravity
?
H
Higgs boson
Il campo di Higgs
ASIMMETRIE (n. 8)
(www.asimmetrie.it)
Higgs @ LHC
Higgs → 2 fotoni
Higgs → 2 fotoni
Questioni aperte
Interazioni
? 4 invece di 1
? così diverse
agiscono su classi diverse di particelle:
quella di colore solo sui quarks
intensità completamente differenti
mediate da campi con proprietà diverse
? Gravità così debole
(a bassa energia) tra 2
e- :
FNewton
FCoulomb
10-40
Questioni aperte
? 3 Famiglie
? masse cosí diverse
mt 108 me
m 10-9 me
Qual’è la vera origine della massa ?
? Quarks & Leptoni
G.U.Theory
Predizione scioccante: decadimento del protone
il destino ultimo dell’Universo non prevede la
materia di cui siamo fatti
Questioni aperte
? Bosoni & Fermioni
Nuova simmetria
Supersimmetria
correla bosoni & fermioni per ogni
bosone (fermione) esiste partner
supersimmetrico fermionico (bosonico)
esistenza di nuova forma di materia: particelle
supersimmetriche soluzione problema della
materia oscura ?? (solo 4.5 % della materia dell’universo
è in forma di particelle ordinarie)
Questioni aperte
Modello Standard + Supersimmetria
gravità
(Intensità)-1
60
50
40
30
20
G.U.
10
0
1
102
1012
E (GeV)
1014 1016 1018
Questioni aperte
Problema gerarchico
? cosí distanti
unificazione
E.W. - Colore
unificazione
E.W.
e
10-3
cb
100
t
W
103
particelle
supersimmetriche ?
106
109
Higgs
Scala di
Planck
1012
1015
E (GeV)
1018
Questioni aperte
? Gravità incompatibile con M.Q.
ha a che fare con la “debolezza” della gravità ?
? Spaziotempo ha 3 + 1 dimensioni
aggiunta di dimensioni spaziali extra attraverso
cui si propaga solo la gravità, mentre le altre
interazioni agiscono solo nello spaziotempo
ordinario soluzione problema gerarchico
modifica della legge di
Newton a piccole distanze
Questioni aperte
Le particelle sono veramente puntiformi ?
Teoria delle Stringhe
ulteriore livello microscopico:
particelle non sono puntiformi,
ma piccole (10-33 cm) corde
oscillanti
diversi stati di oscillazione
della stringa particelle
diverse
Questioni aperte
Conseguenze della Teoria delle Stringhe:
dimensionalità spaziotempo = 9 + 1
nell’equazione fondamentale della teoria è presente
(D - 10) x (termine problematico)
rende instabile la teoria
altre 6 dimensioni spaziali sono “arrotolate”
su distanze dell’ordine di 10-33 cm
inosservabili alle energie a noi accessibili
Questioni aperte
risoluzione conflitto M.Q. – Gravitazione
tra le oscillazioni della stringa una ha massa nulla
e spin = 2 → gravitone
Problema: manca la matematica!!
solo Stringhe ? membrane p-dimensionali
teoria M
viene aggiunta ulteriore dimensione spaziale
Astroparticle Physics
Leggi d’interazione universali (indipendenza da luogo e
tempo) estrapolazione nel passato (e nel futuro)
Biologia
FdP
Chimica
Fisica
Nucleare
Astrofisica
t
0
a
0
T
∞
Quale Fisica ?
Gravità Quantistica
Era di Planck
t ~ 10-43 s
E ~ 1019 GeV
