Stato attuale della fisica delle
particelle e problemi aperti
Francesca Cavallari
(Istituto Nazionale di Fisica Nucleare)
[email protected]
Sommario
• Le particelle fondamentali
• Le forze fondamentali
• Problemi aperti
Le particelle fondamentali
Gli elementi che conosciamo
Gli atomi possono essere classificati in base alle loro proprietà nella
Tavola periodica degli elementi.
La materia può essere descritta da 105 costituenti fondamentali
La simmetria e la periodicità della struttura nascondono qualcosa?
La scoperta della radioattività
• Nel 1897 Becquerel scopri’ la radioattività naturale
• Gli atomi non sono più indivisibili
La struttura atomica
• 1895-1900:
– scoperta dei raggi X (W.Roentgen)
– scoperta della radioattività naturale (P.&M. Curie,
H.Becquerel)
– scoperta dell’elettrone (J.J.Thomson)
L’atomo non è indivisibile!
• Il modello atomico di Thomson:
– Una distribuzione continua di cariche positive
– Un numero Z di elettroni
Esperimento di Rutherford
Rutherford, Geiger e Mardsen esposero ad una sorgente radioattiva una sottile
lamina d’oro ed osservarono le particelle deflesse
una volta su 20000 le particella avevano
un angolo di diffusione > di 90º
Con l’atomo di Thomson questo non doveva accadere!
Un elefante che attraversa un campo di grano non puo’
rimbalzare su una spiga…
Il modello atomico di Bohr
Un nucleo carico positivamente (+Ze) in
cui si concentra praticamente tutta la massa,
circondato da una nuvola di Z elettroni.
L’atomo e` in gran parte “vuoto”:
in un modello in scala in cui il nucleo è un
pallone da calcio, gli elettroni si muovono sulla
parte piu` lontana delle tribune
Il nucleo atomico
• Il nucleo è composto di protoni (+) e neutroni (0)
• Esistono gli isotopi (elementi con lo stesso numero di
elettroni ma diversa massa)
Ma in presenza della sola forza
elettromagnetica non potrebbe
essere stabile!
E’ tenuto insieme dalla interazione forte.
Riassunto (fino qui)
e(-) p(+) n(0)
La trasmutazione degli atomi
nei decadimenti radio-attivi
I decadimenti radioattivi di alcuni atomi richiedono anche l’esistenza dei neutrini.
14
6
C147 N e ν
•Il processo elementare e` il decadimento di un neutrone del nucleo di
carbonio n p e ν e la forza responsabile e` la forza debole
e(-) p(+) n(0) v(0)
Altre particelle
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Agli inizi del ventesimo secolo gli scienziati si
trovavano di fronte a un problema che non
riuscivano a spiegare: sembrava che
nell’ambiente ci fosse molta più radiazione di
quella che poteva essere prodotta dalla
radioattività naturale.
Nel 1912, il coraggioso Hess caricò su una
mongolfiera i suoi strumenti e dimostrò come la
quantità di particelle cariche (e quindi di
radiazione) aumentava con l’altitudine.
Questo significava che la radiazione
sconosciuta non aveva origine terrestre (come
la radioattività naturale) ma proveniva dallo
spazio esterno, da cui il nome di Raggi
Cosmici.
Victor Hess ricevette il premio Nobel per la sua
scoperta nel 1936.
(I raggi cosmici)
•
I raggi cosmici sono costituiti al 90%
protoni, 9% da α , 1% da elettroni e pochi
altri nuclei
• I raggi cosmici primari provengono da
sorgenti astrofisiche extra-solari o anche
talvolta dal sole
• I raggi cosmici primari interagiscono con
l’atmosfera producendo sciami di altre
particelle secondarie
100 particelle/(s cm2)
al livello del mare
Tantissime nuove particelle
• Dagli anni ’30 in poi sono state scoperte tantissime
nuove particelle, nelle interazioni dei raggi cosmici e
dei fasci prodotti dagli acceleratori
• Si distinguono due categorie principali
Leptoni, che non interagiscono in modo forte
Adroni, che risentono della forza forte
Gli adroni scoperti possono
essere classificati in tabelle per
rappresentare le simmetrie delle
loro proprietà
Le periodicità e le simmetrie
delle tabelle nascondo forse una
struttura?
Ipotesi dei quark
e(-) p(+) n(0) v(0)
e(-) p{u(2/3) u(2/3) d(-1/3)} n{u(2/3) d(-1/3) d(-1/3)} v(0)
e(-) v(0) u(2/3) d(-1/3)
I mattoni elementari: quark e leptoni
• Modello a quark introdotto per giustificare le
simmetrie osservate. Carica elettrica frazionaria
(2/3 o 1/3)
• Tre stati diversi (colori) per ogni quark.
• Adroni composti da 2 o 3 quark
• Non si osservano quark liberi:
sono confinati all’interno degli adroni
I mattoni elementari
3 famiglie
Sia per i quark che per i leptoni
sono presenti tre famiglie
apparentemente con le stesse
proprietà ad eccezione della
massa
La materia stabile ordinaria è
fatta di
particelle della prima famiglia
Massa crescente
Anti-materia
Nel 1932 Anderson studiando i raggi cosmici
fece questa foto in camera a nebbia.
Aveva scoperto un positrone.
Il positrone e’ la anti-particella dell’elettrone.
Ha la stessa massa dell’elettrone ma carica
opposta.
q>0
Forza di Lorentz
q<0
B
Anti-materia
Per ogni particella esiste una antiparticella con stessa massa e carica
opposta.
Quando materia e anti-materia si
incontrano, si annichilano
emettendo fotoni (raggi di luce di
altissima energia) o altre coppie di
particelle e anti-particelle.
fotone
elettrone
fotone
positrone
Forze fondamentali
Le 4 forze fondamentali
Forza gravitazionale
Forza elettromagnetica
nucleo
Forza forte
Forza debole
La teoria microscopica delle forze
Microscopicamente le interazioni fra particelle, avvengono
tramite lo scambio di una particella mediatrice.
Le particelle di materia interagiscono a distanza
scambiandosi una particella mediatrice della forza
Il raggio della interazione diminuisce al crescere della
massa della particella
Le 4 forze fondamentali e le
particelle portatrici delle forze
Forza gravitazionale
Gravitone – ipotizzato
nucleo
Forza forte
Gluone – massa nulla
Forza elettromagnetica
Fotone – massa nulla
Forza debole
W+ W- Z0 – massa circa
80-90 volte il protone
Il Modello Standard
Le particelle nel Modello Standard non hanno massa, per poter dar loro massa
occorre un’altra particella, il bosone di Higgs.
Il Modello Standard
Esempio di interazione elettromagnetica
p + + e- p + + e-
Esempio di interazione forte
I tre quark nel protone si scambiano gluoni e si mantengono legati.
I gluoni trasportano la “carica di colore” da un quark all’altro.
Il colore non e` osservabile, esistono solo stati legati di 3 colori insieme o di
una coppia di quark e anti-quark con colore opposto.
Decadimento debole
La frontiera dell’energia: LHC
Il modello Standard spiega
tutto?
• Con il Modello Standard possiamo
descrivere le leggi delle forze del nostro
Universo, ma possiamo spiegare tutti i
fenomeni?
• Perché ci sono 3 famiglie?
• Perché le masse sono tanto diverse?
• Perché le forze sono tanto diverse?
Anti-materia
Problema aperto: il nostro universo e’ fatto di materia e non di
anti-materia, quindi se all’inizio c’era solo energia e materia e
anti-materia si sono prodotte in ugual probabilità, dove e’
andata a finire tutta la anti-materia?
Esiste forse una galassia lontana tutta fatta di anti-materia?
Se esistesse e fosse vicina vedremmo una zona di confine da cui
proverrebbero i fotoni dell’annichilazione ma non possiamo
escludere che esista lontanissimo.
Esperimenti su satelliti e stazioni spaziali misurano il flusso di
raggi cosmici primario fuori dall’atmosfera per capire se esistono
sorgenti di anti-materia nell’Universo.
O forse materia e anti-materia non sono copie identiche ma con carica opposta
La materia oscura
Studiando I cluster di galassie lontane
ci si rende conto che la materia visibile
(stelle, pianeti, gas…) presente nelle
galassie non e` sufficiente a spiegare la
rotazione delle galassie.
Ci deve essere altra materia invisibile
massiva che si addensa intorno alle
galassie e che lega le galassie fra loro.
Un grande laboratorio europeo: il CERN
Nel 1954 12 paesi europei
tra cui l’Italia costituiscono
il CERN (organizzazione
europea per la ricerca
nucleare)
Oggi 20 stati membri.
Ogni paese contribuisce
in base al PIL
L’Italia contribuisce
per circa il 12% al
budget del laboratorio
CERN Lab
LHC Un anello di 27 km
Tre sono stati i direttori Italiani del CERN:
Edoardo Amaldi, Carlo Rubbia e Luciano Maiani.
LHC cerca di dare alcune risposte
19-10-2012
