- Altervista

Il modello standard
Il modello standard
Il modello standard
Il modello standard
Misurando le masse, le cariche elettriche e i decadimenti dei 12 tipi di
particelle-materia si è trovato che esse si raggruppano in tre famiglie.
- Le particelle della prima famiglia hanno massa inferiore di 0,005 GeV
- Le particelle della seconda famiglia hanno massa inferiore a 1,3 GeV
- La particella più pesante, il quark-t, è 100000 volte più massiva del
quark-u
- Le particelle cariche della seconda e terza famiglia, grazie alla loro massa,
hanno energia in abbondanza e decadono molto rapidamente in quelle
della prima famiglia
- Ecco perché tutta la materia stabile è costituita soltanto dalle particelle
della prima famiglia
Il modello standard
I tre neutrini hanno massa così piccola che gli
esperimenti hanno potuto soltanto stabilire un limite
superiore
Queste leggerissime particelle-materia non hanno
energia sufficiente per decadere in altre particelle,
pertanto sono stabili: una volta prodotti, per esempio
dopo il Big Bang, i neutrini vivono per sempre,
muovendosi quasi alla velocità della luce e interagendo
pochissimo con la materia
Le interazioni fondamentali
Le interazioni fondamentali
La forza forte e i colori dei quark
Nel mondo subatomico le forze sono l'effetto dello
scambio di particelle-forza virtuali
- la forza elettromagnetica tra un elettrone e un'altra
particella carica è dovuta allo scambio di un fotone
Le interazioni fondamentali
La forza forte e i colori dei quark
Esempio (diagramma di Feynman)
e-
e-
γ
particella carica
particella carica
tempo
Le interazioni fondamentali
La forza forte e i colori dei quark
L'elettrone e la particella carica si scambiano un fotone di
energia E e a causa di ciò cambiano direzione di moto
Questo fotone ha una natura particolare perché,
diversamente dai fotoni di un fascio di luce, ha una
vita brevissima e non è rivelabile da nessuno strumento;
per questo è chiamato “fotone virtuale”
Le interazioni fondamentali
La forza forte e i colori dei quark
- la forza forte tra due quark, o tra un quark e un anti
quark, è dovuta allo scambio di mediatori chiamati
gluoni
I fotoni e i gluoni hanno massa e carica elettrica
nulle
Le interazioni fondamentali
La forza forte e i colori dei quark
- L'emissione di un fotone è dovuta alla carica elettrica
della particella-materia
- L'emissione di un gluone da parte di un quark è dovuta
a un nuovo tipo di “carica”, che è portato dai quark, ma
non dai leptoni
Le interazioni fondamentali
La forza forte e i colori dei quark
- La carica elettrica esiste in due versioni che vengono
chiamate arbitrariamente “positiva” e “negativa”
- Gli esperimenti hanno mostrato che, invece, i quarks
portano tre diversi tipi di “carica forte” chiamata “colore”
e si è stabilito che un quark può essere blu, rosso oppure
verde (colori primari)
Le interazioni fondamentali
La forza forte e i colori dei quark
- I tre quark che costituiscono i barioni (protoni e
neutroni) hanno sempre tre colori diversi, che però
scambiano continuamente tra loro
Le interazioni fondamentali
La forza forte e i colori dei quark
Esempio (diagramma di Feynman)
u
u
1
gv(r)
2
u
u
tempo
Le interazioni fondamentali
La forza forte e i colori dei quark
- Nel vertice 1 un quark-u verde si trasforma in un quarku rosso emettendo un gluone verde-antirosso
- Il gluone verde-antirosso nel vertice 2 viene assorbito
da un quark-u rosso, cancella il rosso cambiando il suo
colore in verde
Le interazioni fondamentali
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
Le interazioni fondamentali
La forza forte e i colori dei quark
- Nei barioni la forza forte, mediata dai gluoni colorati,
lega i tre quark inducendoli a scambiarsi continuamente
i colori, ma sempre in modo tale che, in ogni istante,
rosso, verde e blu siano tutti e tre presenti
- Dalla sovrapposizione di tre colori primari della stessa
gradazione si ottiene il “bianco”
Le interazioni fondamentali
La forza forte e i colori dei quark
- Quindi i barioni sono “bianchi”
- Anche i mesoni sono “bianchi” perché essendo
composti da un quark e un anti-quark : il “bianco” si
ottiene perché il quark porta un colore e l'anti-quark
porta il suo anti-colore
Le interazioni fondamentali
La forza forte e i colori dei quark
- Se all'interno di un adrone due quark (o un quark e un
anti-quark) si allontanano tra loro, avviene uno scambio
multiplo di gluoni che, essendo essi stessi colorati, si
attraggono l'un l'altro formando una specie di “elastico”
- la forza attrattiva esercitata da questo “elastico gluonico”
aumenta man mano che la distanza cresce, legando così i
quark impedendo loro di avere una vita indipendente
Le interazioni fondamentali
La forza forte e i colori dei quark
- N.B. La forza forte che lega i quark “trabocca”
all'esterno dei neutroni e dei protoni legandoli tra loro
con una forza secondaria chiamata forza nucleare
- E' questa forza residua a consentire l'esistenza dei
nuclei atomici fatti di molti protoni e neutroni
Le interazioni fondamentali
La forza forte e i colori dei quark
- Quanti sono i gluoni?
- Visto che ciascuno trasporta una diversa coppia di coloreanticolore, dovrebbero essere tanti quanti sono le possibili
combinazioni di tre colori con tre anticolori: 3 x 3 = 9
- Tuttavia una combinazione va eliminata perché risulta “bianca”
e non può trasmettere la forza forte
- Quindi i gluoni sono 8 (g1 g2 g3 g4 g5 g6 g7 g8)
Le interazioni fondamentali
La forza debole
- La forza debole, come dice il nome, è meno intensa della forza
elettromagnetica (ma molto più intensa della forza
gravitazionale)
- La forza debole non crea legami, ma fa sentire i propri effetti
nelle trasformazioni delle particelle-materia, chiamate
“decadimenti” o “disintegrazioni”
Le interazioni fondamentali
La forza debole
- E' anche responsabile, all'interno del Sole, della fusione di 4 nuclei di
idrogeno in 1 nucleo di elio in una catena di fusioni nucleari (2 dei 4
protoni di partenza si trasforma in un neutrone, un positrone e un
neutrino)
- I mediatori della forza debole sono chiamati bosoni intermedi
carichi W(+) e W(-)
Le interazioni fondamentali
La forza debole
- Il decadimento beta di un neutrone isolato in un
protone, un elettrone e un neutrino
u
udd
e-
d
ν (neutrino)
eW-
udu
ν (neutrino)
tempo
Le interazioni fondamentali
La forza debole
- Nella radioattività beta i neutroni e i protoni legati nei
nuclei atomici radioattivi dacadono uno nell'atro,
producendo coppie elettrone-neutrino, oppure le loro
anti particelle
Le interazioni fondamentali
La forza debole
- Nella decadimento beta positivo di un nucleo, un
protone si trasforma in un neutrone con l'emissione di
un positrone: il mediatore e sempre un bosone W +, ma
carico posistivamente
u
d
W+
tempo
e+
v
Le interazioni fondamentali
La forza debole
- Nella cattura elettronica un elettrone atomico, che
“gira” intorno a un nuceleo è assorbito da un quark (che
si trova all'interno del nucleo) e si trasforma in un
neutrino, mentre il quark cambia natura
e-
v
Wd
u
tempo
Il modello standard
Il modello standard
Interazioni
Materia
Messaggeri
e
νe
u
d
μ
νμ
c
s
τ
ντ
t
b
γ (fotone)
W+ W- Z0 (bosoni)
g (8) (gluoni)
G (?) (gravitone)
h (higgs)
Il modello standard
Interazioni & simmetrie
Materia
Messaggeri
e
νe
uuu
ddd
μ
νμ
ccc
sss
τ
ντ
ttt
bbb
γ (fotone)
W+ W- Z0 (bosoni)
g (8) (gluoni)
G (?) (gravitone)
h (higgs)
Il modello standard
Interazioni & simmetrie
Materia
Messaggeri
e
νe
uuu
ddd
μ
νμ
ccc
sss
τ
ντ
ttt
bbb
γ (fotone)
W+ W- Z0 (bosoni)
g (8) (gluoni)
G (?) (gravitone)
h (higgs)
- Colore e Carica elettrica
Il modello standard
Interazioni & simmetrie
Materia
Messaggeri
γ (fotone)
e
νe
uuu
ddd
μ
νμ
ccc
sss
W+ W- Z0 (bosoni)
τ
ντ
ttt
bbb
g (8) (gluoni)
G (?) (gravitone)
h (higgs)
- Colore e Carica elettrica
- Sapore barionico totale
Il modello standard
Interazioni & simmetrie
Materia
Messaggeri
e
νe
uuu
ddd
μ
νμ
ccc
sss
τ
ντ
ttt
bbb
γ (fotone)
W+ W- Z0 (bosoni)
g (8) (gluoni)
G (?) (gravitone)
h (higgs)
- Colore e Carica elettrica
- Sapore barionico totale
- Sapore leptonico individuale
Il modello standard
Interazioni & simmetrie
Materia
Messaggeri
e
νe
uuu
ddd
μ
νμ
ccc
sss
τ
ντ
ttt
bbb
γ (fotone)
W+ W- Z0 (bosoni)
g (8) (gluoni)
G (?) (gravitone)
h (higgs)
- Adroni: stati composti di quarks
Il modello standard
Interazioni & simmetrie
Materia
Messaggeri
e
νe
uuu
ddd
μ
νμ
ccc
sss
τ
ντ
ttt
bbb
γ (fotone)
W+ W- Z0 (bosoni)
g (8) (gluoni)
G (?) (gravitone)
h (higgs)
- Adroni: stati composti di quarks
p (protone)
n (neutrone)
u u
u d
d
d
Barioni
Il modello standard
Interazioni & simmetrie
Materia
Messaggeri
e
νe
uuu
ddd
μ
νμ
ccc
sss
τ
ντ
ttt
bbb
γ (fotone)
W+ W- Z0 (bosoni)
g (8) (gluoni)
G (?) (gravitone)
h (higgs)
- Adroni: stati composti di quarks
p (protone)
n (neutrone)
u u
u d
d
d
Barioni
π0 (pione)
k+ (kaone)
uu
su
Mesoni
Il modello standard
Masse
keV
e
e (511 keV)
MeV
Gev
μ
τ
μ (105.5 MeV) τ (1.777 GeV)
TeV
Il modello standard
Masse
keV
MeV
e
Gev
μ
ud
TeV
τ
s
e (511 keV)
μ (105.5 MeV)
τ (1.777 GeV)
u (2.3 MeV)
d (5 MeV)
s (95 MeV)
c (1.27 GeV)
b (4.2 GeV)
t (173.2 GeV)
c b
t
Il modello standard
Masse
keV
MeV
e
Gev
μ
ud
TeV
τ
s
c b
t
WZ
e (511 keV)
μ (105.5 MeV)
τ (1.777 GeV) W+ W- (80.385 GeV)
u (2.3 MeV)
d (5 MeV)
s (95 MeV)
c (1.27 GeV)
b (4.2 GeV)
t (173.2 GeV)
Z0 (91.1876 GeV)
Il modello standard
Masse
keV
MeV
e
Gev
μ
ud
TeV
τ
s
c b
t
WZ
h
e (511 keV)
μ (105.5 MeV)
τ (1.777 GeV) W+ W- (80.385 GeV)
u (2.3 MeV)
d (5 MeV)
s (95 MeV)
Z0 (91.1876 GeV)
c (1.27 GeV)
b (4.2 GeV)
t (173.2 GeV)
h (125.7 GeV)
Il modello standard
Masse
meV
eV
keV
ν
MeV
μ
e
ν
GeV
ud
TeV
p τ
s
c b
ν
t
WZ
h
e (511 keV)
μ (105.5 MeV)
τ (1.777 GeV) W+ W- (80.385 GeV)
u (2.3 MeV)
d (5 MeV)
s (95 MeV)
Z0 (91.1876 GeV)
c (1.27 GeV)
b (4.2 GeV)
t (173.2 GeV)
h (125.7 GeV)
0.009 eV < ν < 0.2 eV
Il modello standard
Masse
meV
eV
keV
ν
MeV
μ
e
ν
GeV
ud
TeV
p τ
s
c b
ν
t
WZ
h
e (511 keV)
μ (105.5 MeV)
τ (1.777 GeV) W+ W- (80.385 GeV)
u (2.3 MeV)
d (5 MeV)
s (95 MeV)
Z0 (91.1876 GeV)
c (1.27 GeV)
b (4.2 GeV)
t (173.2 GeV)
h (125.7 GeV)
0.009 eV < ν < 0.2 eV
γ g G (massa zero)
I diagrammi di Feynman
Esempio 1 : collisione e+ e(semirigoroso)
μ+
e+
LEP
105 GeV
Z
e* carica elettrica
* sapore leptonico individuale
μ-
I diagrammi di Feynman
Esempio 1 : collisione e+ e(semirigoroso)
τ+
e+
LEP
105 GeV
Z
e* carica elettrica
* sapore leptonico individuale
τ-
I diagrammi di Feynman
Esempio 1 : collisione e+ e(semirigoroso)
νe ν μ ν τ
e+
LEP
105 GeV
Z
e* carica elettrica
* sapore leptonico individuale
(νe νμ ντ)
I diagrammi di Feynman
Esempio 1 : collisione e+ e(semirigoroso)
e+
u, d, s, c, b x3
LEP
105 GeV
Z
(u, d, s, c, b) x3
e* carica elettrica
* colore
* sapore leptonico ind. * sapore barionico totale
I diagrammi di Feynman
Esempio 2 : collisione p(p)
(semirigoroso)
p
t
udu
TeVatron
2 TeV
W+
(p) (u d u)
* carica elettrica
* colore
* sapore barionico totale
(b)
I diagrammi di Feynman
Esempio 2b : collisione pp
produzione di top
(semirigoroso)
p
t
udu
LHC
14 TeV
W+
p
* carica elettrica
udu
* colore
* sapore barionico totale
(b)
I diagrammi di Feynman
Esempio 2b : collisione pp
produzione di top
(semirigoroso)
p
t
udu
LHC
14 TeV
W+
p
udu
(b)
Un protone contiene quarks, antiquarks di tutti i sapori e gluoni, secondo
una certa distribuzione di probabilità, funzione dell'energia
I diagrammi di Feynman
Esempio 2b : collisione pp
produzione di top
(semirigoroso)
p
t
udu
LHC
14 TeV
g
p
udu
(t)
Un protone contiene quarks, antiquarks di tutti i sapori e gluoni, secondo
una certa distribuzione di probabilità, funzione dell'energia
I diagrammi di Feynman
Esempio 3 : collisione pp
produzione di higgs
(semirigoroso)
p
LHC
udu
g
14 TeV
t
t
g
p
t
h
udu
Un protone contiene quarks, antiquarks di tutti i sapori e gluoni, secondo
una certa distribuzione di probabilità, funzione dell'energia