Masterclass 2011
Introduzione al corso
Danilo Domenici
Laboratori Nazionali di Frascati INFN
Fisica delle Particelle
La fisica delle particelle è la branca della fisica che
studia i costituenti fondamentali e le interazioni
fondamentali della materia.
Talvolta viene anche usata l’espressione fisica delle
alte energie, quando si vuole far riferimento allo
studio delle interazioni tra particelle elementari
che si verificano ad altissima energia che
permettono di creare particelle non presenti in
natura in condizioni ordinarie, come avviene negli
acceleratori di particelle.
Wikipedia
E’ possibile ricondurre l’intera realtà conosciuta ad un piccolo
numero di componenti fondamentali interagenti tra loro attraverso
poche leggi note?
Ma che significa “fondamentale”?
Per Aristotele e i greci antichi fondamentali erano
i 4 elementi: Aria, Terra, Acqua e Fuoco
fondamentale = a
fondamento della natura
Democrito nel 400 a.C. ipotizza che
tutta la materia sia costituita da
particelle fondamentali
ατομος
fondamentale = indivisibile,
non costituito da niente di più piccolo
Mendeleev nel 1869 introduce in Chimica la
Tavola Periodica degli Elementi
I 92 atomi conosciuti sono classificati in base al Numero atomico (Z)
La regolarità delle loro proprietà chimiche indica che devono essere
costituiti da qualcosa di più piccolo (carica elettrica)
Rutherford, 1905: Modello planetario dell’atomo
Gli atomi sono costituiti da:
• Un nucleo elettricamente positivo, con
una carica uguale al suo Numero atomico
• Una nube elettronica elettricamente
negativo che bilancia la carica nucleare e
rende l’atomo elettricamente neutro
Gli orbitali esterni
determinano il legame
chimico. Atomi con orbitali
esterni simili occupano
posizioni simili nella tavola
periodica
Esperimento di Rutherford
Il nucleo era piccolo, solido e denso:
sembrava veramente fondamentale.
Solo nel 1932 si capì che era invece
costituito da protoni e neutroni
J. Chadwick
Gell-Mann, 1963. I Quark
Oggi sappiamo che
neanche protoni e
neutroni sono
fondamentali, ma
costituiti da quark
Tutte le particelle note
(sono centinaia!) si
ottengono da
combinazioni di quark
u
u
d
In un protone ci sono 3 quark:
2 di tipo UP, 1 di tipo DOWN
Oggi, dopo anni di test
sperimentali, siamo
convinti che i quark
siano finalmente
particelle fondamentali
indivisibili
6 Quark
6 Quark
La struttura dell’atomo
La figura non è in scala: se facessimo i protoni e i neutroni di 1cm tutto l’atomo
sarebbe largo quanto 30 campi di calcio! L’atomo è vuoto!!!
Che cosa tiene insieme queste particelle?
L’universo esiste perché le particelle
elementari interagiscono.
Queste interazioni includono
l’attrazione, la repulsione, il
decadimento e l’annichilazione
Ci sono 4 interazioni fondamentali tra
le particelle, e tutte le forze
nell’universo sono causate da queste 4
interazioni!
• Forza Elettromagnetica: tiene insieme
gli atomi
• Forza Forte: tiene insieme i nuclei
• Forza Debole: fa trasformare i nuclei
• Forza Gravitazionale: tiene insieme le
galassie
Il Modello Standard
I fisici hanno sviluppato una teoria che spiega di cosa è fatto il mondo e che
cosa lo tiene insieme.
E’ una teoria semplice che spiega centinaia di particelle e complesse
interazioni con solo:
• 6 quark (u,d,s,c,b,t)
• 6 leptoni (e,µ,τ,νe,νµ,ντ)
• 3 interazioni (forte, elettromanetica e debole)
In realtà le cose sono un po’ più complicate...
• c’è anche l’anti-materia: 6 anti-quark e 6 anti-leptoni
• le interazioni si riducono a 2: forte (o adronica) e elettro-debole
• le forze sono veicolate da 4 particelle, dette bosoni: gluone (forza forte),
fotone, W, Z (per la forza elettro-debole)
Il MS è una buona teoria. E’ stato confermato sperimentalmente con
grandissima precisione e (quasi) tutte le particelle predette sono state trovate.
Ma non spiega la Gravità
P. Higgs
H?
Higgs boson
MATERIA
FORZE
u
c
t
g
g
d
s
b
W
Z
Quark
ne nm
e
m
Leptoni
Bosoni di Gauge
nt
H
t
Bosone di Higgs ?
Il Modello Standard delle
Particelle e delle Interazioni
Antimateria
Per ogni particella esiste anche la corrispondente particella di antimateria.
L’antiparticella è uguale alla particella con carica di segno opposto.
P. Dirac
1920
C. Anderson
1964
L’antimateria viene creata comunemente negli
acceleratori di particelle. Però l’Universo osservato
è interamente composto di materia.
2 nuove teorie sviluppate all’inizio del ‘900
Meccanica
Quantistica
Fisica Classica
λ = h/p
F = ma
Relatività
Speciale
E = mc2
2 nuove teorie sviluppate all’inizio del ‘900
I. Newton
Meccanica Classica
F = ma
Relatività
Speciale
Meccanica Quantistica
E = mc2
λ = h/p
• dualità onda-parrticella
• natura probabilistica della realtà
• abbandono del tempo assoluto
• equivalenza massa-energia
Questioni aperte del Modello Standard
• Perché nell’Universo osserviamo principalmente materia e
pochissima antimateria?
• Cosa è la “materia oscura” che ha effetti sulla forma
dell’Universo?
• Perché il Modello Standard non predice le masse delle particelle?
• Quark e leptoni sono fondamentali o sono fatti di particelle
ancora più piccole?
• Perché ci sono proprio 3 famiglie di fermioni?
• Come si inserisce la Gravità in tutto questo?
Struttura del corso
Il corso comprende:
• Un excursus teorico sulla moderna fisica delle particelle e sui
suoi problemi ancora irrisolti (G. Isidori)
• Cenni sugli acceleratori di particelle (C. Milardi)
• Cenni sui rivelatori di particelle (D. Domenici)
• Un esempio interattivo di analisi dei dati di un moderno
rivelatore (P. Di Nezza, M. Dreucci)
• Un seminario sul più grande acceleratore del mondo: LHC al
CERN (P. Campana)
BUON PROSEGUIMENTO !
