La storia
della
fisica delle particelle
M. Cobal, Dipartimento di Fisica
Universita’ di Udine
1
Introduzione
La Fisica delle particelle affronta le domande fondamentali
della storia del pensiero:
Come funziona
l’Universo?
Quali sono i componenti
ultimi della materia?
Da dove viene?
Come “si muovono”?
Dove va?
Che cosa “li muove”?
Introduzione
La Fisica delle Particelle non e’ solo una classificazione
“zoologica” delle particelle esistenti in Natura, bensi’ aspira a
comprendere il motivo della loro esistenza e le regole che le
governano
•Molti altri rami della Fisica sono quindi riconducibili ad essa:
– La comprensione del Big Bang passa attraverso la comprensione
della gravita’ quantistica ossia la spiegazione del comportamento
della Natura quando i campi gravitazionali hanno intensita’
confrontabili alle forze nucleari
– La comprensione della struttura a larga scala dell’Universo
(Inflazione, Costante Cosmologica) andra’ ricercata nella teoria
finale unificata e nello spettro di particelle che la compongono
(cm)
1020
Dimensioni (cm)
Un confronto dimensionale
1010
1
Cosmologia
Astronomia
Astrofisica
Geofisica
Antropologia, Psicologia
Biologia, fisica dei fluidi,
Solidi, gas
Chimica
10-10
10-20
Fisica molecolare e atomica
Fisica nucleare
Fisica delle particelle elementari
Di cosa e’ fatto il mondo?
L'uomo è giunto a capire che la materia è in realtà un
agglomerato di pochi elementi fondamentali, che
costituiscono tutto il mondo della natura.
La parola "fondamentale" è una parola chiave:
Per elementi fondamentali intendiamo oggetti che sono
semplici e privi di struttura interna (cioe’ non composti da
qualcosa di più piccolo)
•Domande:
–Esistono mattoni fondamentali?
–Quali sono I mattoni fondamentali?
–Come interagiscono?
–Come determinano le proprieta’ dell’Universo?
La Rivoluzione Greca
Circa 2500 anni fa i filosofi greci cominciarono a chiedersi:
“di cosa e’ fatto il mondo?” e a cercare riposte usando la
logica anziche’ la religione
Talete di Mileto (600 AC): acqua…
Anassimene: aria…
Pitagora: numeri…
Eraclito: fuoco…
Empedocle:
Quattro elementi: Acqua, aria, terra, fuoco
Uniti o separati da forze “morali” (amore e odio)…
Democrito (~400 AC):
Tutto costituito da particelle invisibili e indivisibili: atomi
Peso e forma diversa, combinati formano nuove sostanze
L’atomo e’ fondamentale?
• Alchimia Chimica (1780 1870)
– Classificazione degli atomi in base alle proprieta’ chimiche
– Evidenza di una “periodicita’” (Mendeleyev)
Indicazioni di una struttura comune degli elementi
La Tavola
Periodica
L’atomo e’ fondamentale?
Ricorriamo all’esperimento:
si guarda dentro l'atomo,
usando particelle come
sonde
L'atomo ha una struttura
interna, e non e’ una
semplice “pallina”
permeabile
DOMANDE
?
TEORIA
ESPERIMENTO
Stato della Fisica intorno al 1895
Meccanica Statistica (c 1860)
3 leggi della termodinamica
Teoria Cinetica
Leggi di Conservazione
• Energia
• Impulso
• Momento Angolare
Meccanica (Gravita’)
Leggi di Newton (c 1640)
1. Legge di Inerzia
2. F=m a
3. Reazioni uguali ed opposte
Elettricita’ e Magnetismo
Equazioni di Maxwell (c1880)
• Legge di Gauss
• Legge di Faraday
• Legge di Ampere
• No monopoli magnetici
Stato della Fisica intorno al 1895
Lord Kelvin—
un’autorita’ del suo tempo
Si oppone fortemente alla teoria atomica
“There is nothing new to be discovered in
physics now. All that remains is more and
more precise measurement."
Albert A Michelson—
il primo premio Nobel americano
“The grand underlying principles have
been firmly established...further truths of
physics are to be looked for in the sixth
place of decimals" (Science, 1892)
I 30 anni che sconvolsero la fisica!
1873 Teoria elettromagnetica di Maxwell
1874 George Stoney sviluppa la teoria dell’ elettrone e ne ipotizza la
massa.
1895 Röntgen scopre I raggi X.
1898 Marie e Pierre Curie separano gli elementi radioattivi,
Thompson misura l’ elettrone e sviluppa il suo modello atomico
1900 Planck suggerisce che la radiazione sia quantizzata
1905 Einstein descrive il fotone come quanto di luce, che si comporta
come una particella. Propone inoltre l’ equivalenza tra massa ed
energia, la dualita’ onda-particella, la relativita’ speciale
1911 Rutherford capisce che l’atomo ha un nucleo interno
1913 Bohr costrusce una teoria atomica basata sulla quantistica.
1919 Rutherford fornisce la prima evidenza dell’esistenza del protone
Come si guarda dentro la materia?
Rutherford (~1910) – classico esperimento bombardamento di particelle su
bersaglio (foglio d’oro)
Esperimento di Geiger & Marsden
q
!
Modello atomico di Rutherford
Angle q
Conclusione
L’atomo contiene un nucleo di
carica positiva di dimensione
Nuovo Modello
atomico
<10 fm [1 fm = 10-13 cm]
0.000,000,000,000,1 cm
Cosa succede negli anni ’20?
1921 Chadwick e Bieler concludono che una qualche forza forte tiene insieme
il nucleo
1923 Compton scopre la natura particellare dei raggi X
1924 de Broglie propone che la materia abbia caratteristiche di onda
1925 Pauli formula il principio di esclusione per elettroni atomici. Bothe and
Geiger dimostrano che massa ed energia si conservano nei processi atomici
1926 Schroedinger sviluppa la meccanica ondulatoria. Born da’ una
interpretazione probabilistica della quanto-meccanica .
1927 Si osserva che alcuni materiali emettono elettroni (decadimento beta).
Atomo e nucleo hanno livelli di energia discreti: come possono emettere
elettroni con uno spettro di energia continuo?
Heisenberg formula il principio di indeterminazione.
1928 Dirac combina la meccanica quantistica e la relativita’ speciale per
descrivere l’ elettrone.
Cosa succede negli anni ’30?
1930 Pauli parla del neutrino per spiegare lo spettro dell’ e nel decadimento b
1931 Dirac capisce che le particelle a carica positiva richieste dalla sua equazione
sono oggetti nuovi (“positroni”). Si parla di anti-materia!
Chadwick scopre il neutrone. Si indaga su legami nucleari e decadimenti
1933-4 Anderson scopre il positrone.
Fermi elabora una teoria per il decadimento b: introduce la forza debole.
Yukawa descrive le interazioni nucleari come lo scambio di nuove particelle (I
“pioni”) tra protoni e neutroni interactions by an exchange of new particles
(mesons called "pions"). Questa teoria adesso e’ sorpassata
1937 Studiando I raggi cosmici, viene scoperta una particella di massa 200 volte
la massa dell’e. All’inizio si pensa che sia la particella di Yukawa. Si capisce poi
che invece e’ il muone.
1938 Stuckelberg osserva che protone e neutrone non decadono in elettroni,
neutrini o muoni. La stabilita’ del protone non si puo’ spiegare in termini di
conservazione dell’energia e della carica.
Il nucleo e’ fondamentale?
Il nucleo e’ composto di protoni(carica elettrica positiva) e
di neutroni (privi di carica elettrica)
• Anche i protoni e i neutroni hanno una struttura: sono
composti da particelle fondamentali chiamate quark.
Ma per vedere questo ci vorra’ ancora un po’ di tempo…
Una sorgente naturale di particelle
I fisici delle particelle scoprirono ben presto che in
natura vi era una copiosa sorgente di particelle di alta
energia: i raggi cosmici
I raggi cosmici sono particelle cariche di alta energia, soprattutto
protoni, che provengono dallo spazio e arrivano fino alla superficie
atmosferica della terra. Collisioni fra raggi cosmici e molecole di aria
avvengono continuamente…
Protoni dallo
spazio
Collisione con le
molecole d’aria
Soprattutto Muoni
Cosa succede negli anni ’40?
1941 Moller e Pais introducono il termine "nucleone" come termine generico per
protoni e neutroni.
1946-47 Si capisce che la particella trovata nei raggi cosmici e creduta il mesone di
Yukawa e’ in realta’ un "muone“, la prima particella della seconda generazione delle
particelle fondamentali che costituiscono la materia.
Il commento di Rabi: "who ordered that?" Si introduce il termine leptone per
indicare oggetti che non interagiscono in modo forte (elettroni e muoni sono leptoni)
1947 Si trova un mesone coinvolto in interazioni forti nei raggi cosmici: e’ il pione.
Si sviluppano delle procedure per calcolare le proprieta’ elettromagnetiche di
elettroni, positroni e fotoni. Introduzione dei diagrami di Feynman.
1948 Il Sincro-ciclotrone di Berkeley produce il primo pione
1949 Fermi e Yang suggeriscono che il pione sia composto da un
nucleone ed un anti-nucleone. Viene scoperta la K+.
L’ “esplosione” delle particelle
Lo studio delle interazioni dei raggi cosmici porto’ alla
scoperta di un grande numero di nuove particelle:
1931 - Il positrone (e+)
1936 - il muone (m)
1947 - Pioni, kaoni, iperoni
Nello stesso tempo Ernest Lawrence imparava a costruire
acceleratori di particelle in laboratorio…
Ottenendo intensita’ molto piu’ grandi che nei raggi cosmici!
Cosa succede negli anni ’50?
1950 Viene scoperto il pione neutro (p0).
1951 Si scoprono le particelle strane L0 e K0.
1952 Viene scoperta la particella Delta: ne esistono 4 tipi diversi (D++, D+, D0, and D-).
Glaser inventa la camera a bolle (ispirato dalla birra..) Il cosmotrone di Brookhaven,
a 1.3 GeV, comincia a funzionare.
1953 Comincia l’era della “esplosione delle particelle”
1953-7 Sparando elettroni contro nuclei, si “vede” una distribuzione di densita’ di carica
nel protone e nel neutrone. Questo suggerisce la presenza di una qualche struttura
interna,
1954 Yang e Mills sviluppano una nuova classe di teorie chiamate “teorie di gauge “.
Questo tipo di teorie sono alla base del Modello Standard.
1955 Chamberlain e Segre scoprono l’anti-protone.
1957 Schwinger propone l’unificazione della forza debole ed elettromagnetica.
1957-9 Schwinger, Bludman, e Glashow, suggeriscono che tutte le interazioni sono
mediate da bosoni carichi pesanti. Yukawa fu il primo – 20 anni prima – a parlare di
scambio di bosoni, ma propose il pione come mediatore della forza debole..
Dov’e’ l’ordine?
Con i nuovi acceleratori di particelle e nuovi rivelatori
(camera a bolle)a disposizione i fisici delle particelle negli
anni 1950s si divertirono un mondo…
e
p
K
nm
0
Sn
S+
K0
K-
p
L
Particelle ed Antiparticelle
Massa
Carica
Vita media
Spin
Stessa massa, e vita media,carica
e momento magnetico opposti
Particelle
Antiparticelle
protone p
neutrone n
elettrone e neutrino elettronico ne
muone negativo m neutrino muonico nm
pione negativo p pione neutro p 0
fotone
antiprotone p
antineutrone n
positrone e +
antineutrino elettronicon e
muone positivo m +
antineutrino muonicon m
pione positivo p +
pione neutro p 0
fotone
positron
Plate of steel
B
All’ inizio erano poche…
E molte piu’….
Servono energie sempre maggiori…
Per testare le nuove teorie i fisici delle particelle hanno bisogno di alte energie
COLLISIONI FRA FASCI DI PARTICELLE!
TARGHETTA FISSA
Energia a disposizione per produrre
nuove particelle:~ Ebeam
COLLISIONI FASCIO-FASCIO
Energia a disposizione per
produrre nuove particelle ~Ebeam
Un moderno accelleratore
In queste macchine, fasci
di particelle sono accellerati
quasi alla velocita’ della
luce e fatti collidere in punti
scelti della loro orbita
Accelleratori
1983: CERN pp collider
E = 540 GeV W+- (80 GeV), Z0 (91 GeV)
1995: Fermilab Tevatron pp collider
E=1.8 TeV top quark (175 GeV)
¼ 2008: CERN LHC pp collider
E=14 TeV discover Higgs?
????: Linear e+e- Collider
E=1-2 TeV study Higgs in detail
Cosa succede negli anni ’60?
1961 Il numero delle particelle aumenta! Uno schema matematico di classificazione (il
gruppo SU(3)) guida i fisici a riconoscere “percorsi” in particelle diverse.
1962 Si verifica sperimentalmente che ci sono due diversi tipi di neutrino (elettronico
e muonico), come predetto teoricamente (Lederman, Schwartz, Steinberger).
1964 Gell-Mann e Zweig introducono l’idea dei quark.
Glashow e Bjorken inventano il termine "charm" per il quarto (c) quark.
Osservazione della violazione di CP nel decadimento dei Kaoni (Cronin e
Fitch)
1965 Greenberg, Han, e Nambu introducono la proprieta’ “carica di colore” dei
quark
.
1967 Weinberg e Salam separatamente propongono una teoria che unifica le
interazioni elettromagnetiche e deboli nelle interazioni elettrodeboli. La loro
teoria richiede l’esistenza di un bosone neutro che interagisce debolmente:
lo Z0.
1968-9 Bjorken e Feynman analizzano i dati di scattering di elettroni usando un
modello che prevede componenti per il protone. Usano la parola “partone”
“The 8-fold way”
barioni qqq
mesoni
qq
K0
ds
p-
D0
D+
D++
ddd
udd
uud
uuu
n
p
Nel 1961 Gell-Mann
& Ne’eman ebbero per
K+
us
la fisica delle
particelle
lo stesso
ruolo di
S0 L
SMendeleev 100 anni
dds prima con gli atomi
uds
“fondamentali”
p+
p0
du
D-
ud
uu,dd,ss
dss
uss
-
su
sd
K-
K0
0
sss
S+
uus
Quarks
Negli anni 1960 > 50 particelle elementari Tavola periodica!
Si introducono 3 quark per spiegare la periodicita’
Ma i quark non erano considerati particelle reali!!
Si capisce 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
OrdineCostituenti fondamentali
Proprio come l’ordine della tavola periodica era dovuto ai
tre componenti fondamentali, cosi’ Gell-Mann e Zweig
proposero che tutti gli “adroni” fossero costituiti da tre
oggetti che vennero chiamati “quarks”
I quark hanno cariche elettriche pari a 2/3, -1/3. -1/3 della carica dell’elettrone
p
n
p+
p0
p-
uud
udd
ud
uu
du
D++
D+
D0
D-
uuu
uud
udd
ddd
sss
K+
K0
KK0
us
ds
su
sd
Cosa succede negli anni ’70?
1970 Glashow, Iliopoulos, e Maiani (GIM) capiscono l’ importanza di un quarto tipo
di quark nel contesto del Modello Standard.
1973 Prime indicazioni dell’ esistenza di correnti deboli neutre (per scambio di Z0)
Viene formulata una teoria quantistica di campo per le interazioni forti (QCD)
Politzer, Gross, e Wilczek scoprono che la teoria di colore delle interazioni forti
ha una proprieta’ speciale, detta “liberta’ asintotica”.
1974 Richter e Ting, leading independent experiments, announce on the same day
that they discovered the same new particle J/Y, bound state of charm anticharm).
1976 Goldhaber e Pierre trovano il mesone D0 (quark anti-up e charm).
Il leptone tau viene scoperto da Perl e collaboratori a SLAC.
1977 Lederman ed i suoi collaboratori scoprono il quark-b a Fermilab.
1978 Prescott e Taylor osservano interazioni deboli mediate dallo Z0 nello scattering
di elettroni polarizzati da deuterio: il principio di conservazione della parita’
viene violato, come predetto dal Modello Standard.
1979 Vengono identificato gluoni irraggiati da quark o antiquark allo stato iniziale
Una nuova teoria
I fisici hanno elaborato una teoria, chiamata Modello
Standard che vuole descrivere:
tutta la materia
tutte le forze dell'universo (escludendo per ora la
gravità)
La sua bellezza sta nella capacità di spiegare centinaia di
particelle e interazioni complesse con poche particelle e
interazioni fondamentali
Il Modello Standard
Nel Modello Standard esistono due generi di
particelle:
Particelle materiali: il Modello Standard sostiene che la
maggior parte delle particelle materiali finora conosciute è
composta di particelle più fondamentali (quark). C'è
anche un'altra classe di particelle materiali fondamentali, i
leptoni (un esempio è l'elettrone).
Particelle mediatrici di forza: Ogni tipo di interazione
fondamentale agisce "mediante" una particella mediatrice
di forza (un esempio è il fotone).
Fermioni: i componenti fondamentali
Le particelle elementari: i fermioni
1a generazione
2a generazione
Massa (MeV)
Perche’ 3 famiglie?
Ve ne sono di piu’?
3a generazione
Carica (e)
2/3
2/3
-1/3
-1/3
0
0
-1
-1
Quarks
Leptoni
Unita’ usate nella fisica delle particelle
Energia:
electron-volt:
1 eV = 1.6x10-19 J
Energia che l’elettrone guadagna attraversando una ddp di 1 Volt
E = mc2, si pone c=1!
Unita’ naturali
Massa:
electron-volt
proton mass mp = 938.27 MeV
Momento:
electron-volt
I leptoni
I leptoni sono sei:
tre hanno carica elettrica
(negativa)
tre non hanno carica elettrica
Il leptone carico più conosciuto è
l'elettrone (e). Gli altri due
leptoni carichi sono il muone (µ)
e il tau (t)
Muone e tau sono repliche
dell’elettrone con massa piu’
grande
I leptoni neutri si chiamano
neutrini:
c’e’ un neutrino
corrispondente a ogni
leptone carico
hanno massa molto piccola
(ma non nulla)
I quarks
Ci sono 5 ordini di grandezza fra
la massa del quark piu’ leggero
(up) e quello piu’ pesante(top)!
La miglior misura della massa oggi:
M(top)=178 GeV con un errore di 4.3
Adroni
I singoli quarks:
hanno cariche elettriche frazionarie
non sono mai stati osservati direttamente
Si riuniscono in gruppi in particelle dette “adroni”:
Le combinazioni dei quark possibili sono tali che la
somma totale delle cariche elettriche sia un numero
intero: due (qq=mesoni) o tre (qqq=barioni)
Ma c’e’ molto di piu’…per capirlo bisogna
introdurre le interazioni fra i quark
Le forze
L'universo che conosciamo
esiste perché le particelle
fondamentali interagiscono:
decadono
si annichilano
reagiscono a forze legate alla
presenza di altre particelle
(per esempio nelle collisioni).
Ci sono quattro
interazioni(forze) tra le
particelle:
Gravita’
ElettroMagnetica
Forte
Debole
Come interagiscono le particelle?
Le particelle si attraggono o si respingono mediante particelle
“messaggeri” (quanti del campo)
Quelle che noi chiamiamo comunemente "forze" sono gli
effetti dei mediatori di forza sulle particelle materiali.
ee
ee
mm
Diagramma
di Feynman
m
m
Che cosa tiene il mondo insieme?
Forze
Forte
elettromagnetica
debole
Gravita’
Agiscono tra
quarks
Particelle
cariche
Tutte le
particelle
Tutte le
particelle
Forza relativa
10
10-2
10-13
10-42
quanto
g
W+- Z0
G
spin = 1 (bosoni))
Gravita’
La forza gravitazionale è probabilmente la forza che ci è più
familiare:
non è compresa nel Modello Standard perché i suoi effetti sono
piccolissimi nei processi tra le particelle
•Anche se la gravità
agisce su ogni cosa,è
una forza molto debole
qualora le masse in
gioco siano piccole
•La particella mediatrice
di forza per la gravità si
chiama gravitone: la sua
esistenza e’ prevista ma
non e’ ancora stata
osservata
Elettromagnetica
Molte delle forze che sperimentiamo ogni giorno sono
dovute alle interazioni elettromagnetiche nella materia:
tengono assieme gli atomi e i materiali solidi
la carica elettrica (positiva/negativa) e il magnetismo (nord/sud) sono diverse
facce di una stessa interazione, l'elettromagnetismo.
cariche opposte, per esempio un protone e un elettrone, si attirano, mentre
particelle con la stessa carica si respingono.
• La particella mediatrice dell'interazione elettromagnetica si
chiama fotone.
–In base alla loro energia, i fotoni sono distinti come: raggi gamma,
luce (visibile), microonde, onde radio, etc.
Interazione Forte
Perche’ la repulsione
elettromagnetica fra i protoni del
nucleo non fa esplodere l’atomo?
Alcune particelle (i quark e i gluoni) hanno una carica di un
nuovo tipo: è stata chiamata carica di colore.
Ogni quark puo’ avere uno dei tre colori: rosso, blu o verde
Tra particelle dotate di carica di colore l'interazione è molto
forte, tanto da meritarsi il nome di interazione forte.
La sua particella mediatrice è stata chiamata gluone: perche’
“incolla” i quark fra di loro
Il Modello a quark
1964 Gell-Mann, Zweig
Ci sono 3 quarks e 3 antiquarks
Quark
Up
Down
Strange
Charge
+2/3
-1/3
-1/3
Ogni quark puo’ portare uno di 3 colori
Gli anti-quark portano un anti-colore
Il “confinamento” dei quark
Le particelle con carica di colore (come I quark) non si possono trovare
isolate ma solo in gruppi di colore “neutro” (adroni)
Questo spiega perche’ sono possibili solo combinazioni di due
(“mesoni”) o tre (“barioni”) quark: sono le uniche neutre di colore.
La carica di colore si conserva sempre.
quando un quark emette o assorbe un gluone, il colore del quark
deve cambiare, per conservare la carica di colore
Per esempio, consideriamo un quark rosso che diventa un quark blu
ed emette un gluone rosso/anti-blu: il colore "netto" è sempre rosso.
Il blu e l’anti-blu
si annullano
rimane il rosso
Mai quark liberi!!!
La forza di colore diminuisce a piccole distanze e cresce al crescere delle
distanze
Cosa succede se si cerca di “spezzare” un adrone?
Se uno dei quark di un adrone viene allontanato dai suoi compagni, il
campo di forza di colore "si allunga" per mantenere il legame.
In questa maniera cresce l'energia del campo di forza di colore, e
cresce quanto più vengono allontanati i quark tra loro.
Energia del campo
di colore cresce…
E=mc2 sufficiente per creare un’altra
coppia quark-antiquark
Dove sono i quarks?
Questa descrizione e’ molto interessante, ma i quark per ora
sono entita’ matematiche…
L’esperimento confermera’ la loro esistenza!!!
Proviamo a ripetere l’esperimento di Rutherford ad energie
MOLTO piu’ alte…
electrons
Protons
Si dimostra che il protone e’ costituito da altri oggetti piu’ fondamentali!
Come si “vedono” i quark
Negli anni ‘70, nelle collisioni
elettrone-positrone ad alta
energia, si osservano dei
“getti” di energia, associabili
alla presenza di gluoni dovuti
alla forza nucleare forte che si
origina dalle interazioni tra
quark. E’ la manifestazione piu’
spettacolare del
“confinamento”
I gluoni e i quark si materializzano in
“getti”(ing: jet) di particelle
Interazione Debole
L’interazione debole e’ responsabile del fatto che tutti i quark o leptoni
decadono in particelle di massa minore
I mediatori dell’interazione debole sono le particelle: W+, W- e Z0
Elettrica
Magnetica
Debole
Forte
Elettromagnetica
Quarks
u
d
W
c
s
Leptons
ne
e-
W
nm
m
Electrodebole
W
t
b
W
W
nt
t
W
Cambiamenti di tipo (detto
“sapore”) governati dall’interazione
debole
Nel Modello Standard
l’interazione Debole e’
unificata con quella
Elettromagnetica: a
piccole distanze stessa
intensita’
Test della Teoria ElettroDebole
Con l’introduzione della teoria elettrodebole furono necessarie tre
nuove particelle: i mediatori dell’interazione W+, W- and Z0.
Le loro masse erano previste dalla teoria stessa:
MWc2 80 GeV
Circa la massa del Bromo (z=35) o
MZc2 90 GeV
dello Zirconio (z=40)!!!
…Pesantucce per essere “elementari”…
La W e la Z hanno una vita media brevissima, ma possono essere
identificate tramite i loro prodotti di decadimento, anche essi predetti
dalla teoria elettrodebole:
ene
e+emnm
m+mScoperte nel 1983!
Z t+tW ud
..e con la corretta massa
cs
qq
tb(?)
Storia anni ’80 – 2002..
1983 Scoperta del W± e dello Z0 al sincrotrone del CERN synchrotron usando
la tecnica sviluppata da Rubbia e Van der Meer per far collidere protoni ed
antiprotoni.
1989 Gli esperimenti portati avanti a SLAC e al CERN suggeriscono fortemente
che vi siano 3 e solo 3 generazioni di particelle fondamentali
1995 A Fermilab l’esperimento CDF vede per la prima volta il quark top.
1998 L’esperimento SuperK identifica oscillazioni di neutrino (I neutrini hanno
massa!)
2000-1 Viene osservata la violazione di CP usando B-mesons dagli esperimenti
BABAR, BELLE
2002 “Risolto” il problema dei neutrini Solari.
W boson, UA1 detector in 1982
Le generazioni della materia
Quarks e leptoni organizzati in tre
“famiglie”:
tutta la materia visibile
nell’universo e’ costituita dalla
prima generazione.
Le particelle della 2a e 3a
generazione sono instabili e
decadono in particelle della 1a
Ci sono altre generazioni?
Non si sa il perche’ di queste
“repliche”…sorprese sono ancora
possibili…
Sperimentalmente pare di no
Introducendo i quarks..
La mia tesi di Dottorato!!
Supervisori: H. Grassmann, G. Bellettini
Il Bosone di Higgs
Il Modello Standard richiede l’esistenza di una
ulteriore particella
Bosone di Higgs
Senza carica
Massa sconosciuta (>115 GeV)
spin = 0
E’ richiesto per poter assegnare le masse (nella
teoria) a bosoni e fermioni
Il MS e’ la teoria del tutto?
NO
Il Modello Standard non funziona a tutte le energie
Il Modello Standard non include la gravita’
L’ Higgs non e’ ancora stato scoperto
Unificazione
Electricity
Magnetism
Weak force
Strong force
Gravity
electromagnetism
electroweak force
GUTs
string theory...
Altri problemi aperti…
Alcuni buoni motivi per credere che il Modello Standard sia
una (buona) approssimazione di qualcosa di piu’ complesso:
non spiega la gerarchia delle masse
non spiega la dominanza di materia nel nostro Universo
non suggerisce una soluzione al problema della Materia Oscura
nell’Universo
perche’ 3 famiglie ?
troppi parametri
....
Varie teorie cercano di superare questi problemi:
GUT, SUSY, Technicolor, Compositeness, Superstringhe.
Purtroppo nessuna di queste ha una qualche conferma sperimentale…
I quarks sono veramente indivisibili?
“The most important task for scientists is to
search for the most fundamental laws, from
which a picture of the world can be deduced.”
There is no logical path leading to these elementary
laws, only an intuitive one, based on creativity and
experience
Tra le 100
persone che hanno influenzato il mondo….
17 Fisici
7 Fisici nell’ Era Moderna
Albert Einstein
Guglielmo Marconi
Wernier Heisenburg
Ernest Rutherford
Max Planck
William Conrad Rontgen
Enrico Fermi
Senza includere altri come Bohr, Boltzmann, Dirac, Feynman,
Michelson, Schrodinger!
La fisica delle particelle ha dato 40 dei ~90 Premi Nobel dal
1901 ad oggi.
Se si hanno
fortuna
e tenacia…
La ricerca del quark Top
Dopo la scoperta del quark bottom (Fermilab 1977) il
Modello Standard prevedeva un ultimo quark top per
completare la coppia della terza generazione
Il Modello Standard inoltre e’ in grado di predire
esattamente il decadimento del quark top:
q, e, m, t
Ma non e’ in grado di predirne
la massa….
q, n e , n m , nt
Produzione di Top a Batavia, IL
Il Tevatron di Fermilab e’ l’acceleratore di piu’ alta energia oggi
esistente.
Protoni e antiprotoni si scontrano con una energia di 1.8 TeV
(1800000000000 electron volts)
Collider Detector at Fermilab
muon
chambers
steel
HAD calorimeter
EM calorimeter
solenoid
m
e
tracking volume
electrons & photons
muons
I diversi tipi di
particelle
rilasciano tipi diversi
di segnature nei
nostri rivelatori
jet
p, K, , L, m etc.
quarks & gluons
n
neutrinos
Vari milioni di
collisioni per secondo
~ 100 per secondo
scritte su nastro
Analisi dei
dati…
Simulazione di cio’ che ci si aspetta
Trovato!
Nel 1994, dopo 17 anni di ricerche a vari acceleratori e circa 10
anni allo stesso Tevatron, sono statei trovati 12 eventi che
sembravano provenire dalla produzione di una coppia top-antitop
Ora ce ne sono piu’ di 100…
Perche’ e’ stato cosi’ difficile?
Perche’
MTOP c 2=
- E solo 1 in 1010 collisioni puo’ produrre una coppia top-antitop
BACKUP
Stato attuale della Fisica nel 2005
Meccanica statistica
Fermioni e Bosoni
Stati condensati Bose-Einstein
Superconduttivita’
Evoluzione Stellare
Meccanica (Gravita’)
Teoria Generale Relativita’
Quanto Meccanica
•Esistenza degli atomi
•Particelle subatomiche
•Approccio probabilistico
Forza Forte Nucleare
Composizione Particelle Nucleari
Leggi di Conservazione
• Energia
• Impulso e momento angolare
• Spin
• Numero Barionico e Leptonico
Elettricita’ e Magnetismo
Equazioni di Maxwell (c1880)
Il Modello Standard Unifica
•Elettricita’ e Magnetismo
•Forza Forte Nucleare
• Forza Debole Nucleare
Forza nucleare debole
Radioattivita’
Verifica del Modello Standard
Negli anni ’90, i dati raccolti al LEP
studiando il decadimento del
bosone Z, ci permettono di
determinare con grande precisione
il numero di neutrini (e quindi il
numero di generazioni) e di
escludere con certezza la presenza
di neutrini “anomali”. Una ulteriore
conferma del Modello Standard
La curva corrispondente ad
un numero di generazioni pari
a tre descrive meglio la curva!
Il precedente limite era basato su considerazioni cosmologiche
Antimateria
Per ogni particella (materia) c'è la corrispondente antiparticella
(antimateria).
Un'antiparticella è identica alla sua particella sotto ogni aspetto, tranne che
per la carica, che è opposta.
Per esempio: il protone ha carica elettrica positiva, e l'antiprotone ha
carica elettrica negativa; ma hanno la stessa identica massa, perciò sono
soggetti alla gravità nella stessa identica maniera.
Quando una particella e la sua antiparticella si incontrano, si
annichilano in energia pura. Questa energia può dar vita a particelle,
prive di carica, mediatrici di forza, come fotoni, bosoni Z, o gluoni.
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L’ antico atomismo
Democrito argui’ su basi logiche che devono esistere qualcosa di
“invariato” nell’ Universo (c.f. leggi di conservazione nella fisica
moderna?). Stabili’ poi che questi assoluti sono le piu’ piccole
componenti dei corpi visibili.
Immagino’ la natura come un moto incessante di piccole particelle di
materia, indivisibili ed eterne che chiamo’ atomi (ατομον =
indivisibile in Greco) (c.f. si pensi alla moderna teoria cinetica dei
gas..).I cambiamenti che si osservano nell’ Universo richiedono
l’esistenza del vuoto (gaps tra gli atomi)
“Per convenzione parliamo di colore, di dolce, di amaro, ma in realta’
ci sono atomi e spazio”.
Aristotele rispose che questi ipotetici atomi sarebbero dovuti casere a
terram proprio come una pietra una volta sospesa e poi lasciata.
Limits of pre-Modern Physics
Dimension
Range of Applicability
Range of Application
Length
10-6 to 10+8 m
Smoke particle (Brownian Motion) to
the solar system
Mass
10-9 to 10+31 kg
Dust particles to solar mass
Time
10+10 to 10+17 sec-1
10-3 to 10+9 sec
Microwave to UV light
Smallest timing increments (msec) to
celestial motions (centuries)
Velocity
10-6 to 10+5 m/s
Small particles to celestial motion
Il moderno atomismo
Teoria atomica della materia: Dalton (1808)
Moto Browniano: Einstein (1905); determinazione del
numero di Avogadro.
Piu’ avanti: scoperta che l’atomo non e’ il
costituente fondamentale
Scoperta dell’elettrone: Thompson (1897)
Scoperta del nucleo atomico: Rutherford (1911)
Modello di Bohr dell’atomo (1913)
Scoperta del neutrone (1932)
Il Modello a quark
Solo combinazioni prive di colore (“bianche”) di quarks e
anti-quarks possono formare particelle (Adroni).
qqq (barioni)
qq (mesoni)
Non ne sono state osservate altre.
Pentaquarks???
Un altro evento con jets
Gli stessi getti si
osservano in eventi
provenienti da
collisioni protoneantiprotone
Limiti attuali della Fisica Moderna
Dimensioni
Intervallo di valori
Intervallo di applicazione
Lunghezza
10-18 -10+26 m
Dimensioni quark-dimensioni Universo
Massa
10-31 - 10+40 kg
Elettroni – Raggruppamenti di galassie
Tempo
10+3 - 10+22 sec-1
10-16 - 10+17 sec
Onde radio – Raggi
Spettroscopia<famtosec–Eta’ Universo
Velocita’
10-8 - 10+8 m/s
Particelle sub-atomiche-velocita’ luce
Le origini
Nell'antichità l'uomo pensava che ogni cosa nel mondo fosse
un composto dei quattro elementi:
L’ atomismo
Democrito (460-370 B.C.) Filosofo
greco: propose una teoria meccanicista
del mondo che non richiedeva forze
sovrannaturali, ma solo il moto costante
degli atomi (indistruttibili) dei quali e’
composta la materia
Democrito stabilisce che la nostra
percezione delle cose e’ una sorgente di
conoscenza fallace (esempio: gli atomi
sono troppo piccoli per essere osservati).
La conoscenza si ottiene dal
ragionamento.
Inconsistenze nella Fisica del 2005
Fermioni pesanti ed HTSC
• Evoluzione Stellare
• SM per Buchi Neri
Leggi di conservazione
Meccanica statistica
Fermioni, Bosoni ed Anioni
Condensati di Bose-Einstein
Superconduttivita’
Evoluzione Stellare
•
•
•
•
Energoa
Impulso e Momento Angolare
Carica
Spin, Numero Leptonico e Barionico
Meccanica (Gravita’)
General Theory of Relativity
Inconsistente con QM
Ricerca della Materia Oscura
Costante di gravitazione fissata
Elettricita’ e Magnetismo
Equazioni di Maxwell (c1880)
Meccanica Quantistica
GUT’s and TOE’s
•Esistenza atomi
•Particelle subatomiche
•Combinazione di Standard Model
& Gravita’
• Teoria delle Stringhe
•Approccio probabilistico
Strong Nuclear Force
•Entwined States
Composition of subatomic particles
•Fisica alle dimensioni
Matter/antimatter imbalance
Forze nucleari deboli
sub-Planck
Decay ratios and particle masses
Radioattivita’
Search for Higgs Bosons
Violazione di CPT?
Natura della forza forte
Decadimento protone
Sistemi Caotici e complessi
Inconsistencies in Physics cira 1900
Statistical Mechanics (c 1860)
Boltzman Distribution
Entropy and counting states
Brownian motion
Existence of atoms
Blackbody radiation
Wein’s Law
Electricity & Magnetism
Mechanics (Gravity)
Obeyed Galilean Transform
Photoelectric Effect
Diffraction of x rays
Discrete Atomic Spectra
Radioactive decay
Medium for propagation of light
Obeyed Lorentz transformation
