La freccia del tempo nella fisica delle particelle elementari

La freccia del tempo
nella fisica
delle particelle elementari
Alberto Lusiani
Scuola Normale Superiore
La freccia del tempo nella fisica delle particelle elementari
Alberto Lusiani
La fisica delle particelle spiega oggi quasi tutto
Meccanica Quantistica Relativistica (Modello Standard)
Relatività generale
fenomeni microscopici
attrazione gravitazionale (inconciliabile con MQR)
elemento base della MQ sono:
Particelle
(= anche campi, onde)
bosone di Higgs ultima scoperta
oggetti puntiformi fin dove vediamo
proprietà: massa, spin, cariche
anche forza/energia sono particelle
altro elemento fondamentale:
Simmetrie
(teoria dei gruppi)
Time travels – la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre 2013
1
La freccia del tempo nella fisica delle particelle elementari
Alberto Lusiani
Equazioni del moto del Modello Standard in una pagina
Lagrangiana del Modello Standard in forma compatta:
L=−
1a
Fµν a F µν
4
+ i ψ (∂µ − iga a Gµ )γµ ψ
†
+ ψi λij ψj h + ψi λij ψj h
2
a
+ (∂ − ig G )h − V (h )
µ
+ Ni Mij Nj
a
µ
termini cinetici forze e.m., debole, forte
fermioni, termini cinetico e di gauge
interazione Higgs fermioni
Higgs, termini cinetico e potenziale
possibile termine di massa per neutrini di Majorana
a indica somma implicita su gauge elettromagnetico, debole e forte
ψ indica somma implicita su tutti i “campi” fermionici
◮ il Modello Standard ha campi separati per fermioni levogiri e destrogiri
ga sono le costanti di accoppiamento elettromagnetica, debole, forte
aG
µ
“seleziona” i fermioni che interagiscono col gauge a
Time travels – la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre 2013
2
La freccia del tempo nella fisica delle particelle elementari
Alberto Lusiani
1926-1927: principi fondamentali della Meccanica Quantistica
λ = p /h
∆p ∆x ≥ ~/2
materia ed energia sono sia onde sia particelle
principio di indeterminazione di Heisemberg
materia & energia descritte con “campi” (“funzioni d’onda”)
◮ funzioni complesse definite nello spazio e nel tempo
◮ il modulo quadro è la probabilità di osservare materia ed energia nel punto e tempo indicato
da meccanicismo e determinismo a
“ampiezze di probabilità” (che interferiscono come onde)
◮ ma la meccanica quantistica rimane predittiva
◮ c’è un’indeterminazione irriducibile dello stato iniziale, che poi si conserva nel tempo
(si aggiungono le incertezze di misura, che però in teoria sono riducibili a piacere)
Time travels – la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre 2013
3
La freccia del tempo nella fisica delle particelle elementari
Alberto Lusiani
Simmetrie e conservazioni o invarianze
relatività ristretta
◮ leggi della fisica invarianti per ristemi di riferimento inerziali
• trasformazioni di traslazione, rotazione, moto rettilineo uniforme
di Lorentz
◮ la velocità della luce è invariante in tutti i SRI
relatività generale
◮ include la relatività ristretta
◮ aggiunge invarianza leggi fisica tra sistemi con gravità e in sistemi accelerati
meccanica classica (formulazione hamiltoniana e lagrangiana)
◮ fisica invariante per traslazione spaziale
conservazione dell’impulso
◮ fisica invariante per traslazione temporale
conservazione dell’energia
◮ fisica invariante per orientazione angolare
conservazione del momento angolare
meccanica quantistica relativistica
simmetrie e invarianze ancora più centrali
Time travels – la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre 2013
4
La freccia del tempo nella fisica delle particelle elementari
Alberto Lusiani
Pietre miliari della fisica teorica delle particelle fino ad oggi
1934: Fermi formula la teoria effettiva dei decadimenti “deboli”
anni 1940: Feynman, Schwinger e Tomonaga formulano elettrodinamica quantistica
anni 1960: Glashow, Weinberg e Salam formulano il “Modello Standard”, unificazione elettrodebole
anni 1960, 1970: scoperta quark, costituenti di protone, neutrone e adroni
◮ formulazione “cromodinamica quantistica”, integrata perfettamente nel Modello Standard
1983: Rubbia e Van der Meer scoprono i bosoni intermedi W e Z 0 predetti dal Modello Standard
anni 1990: scoperta delle oscillazioni dei neutrini
i neutrini hanno massa
2012: scoperta del bosone di Higgs, predetto dal Modello Standard
Time travels – la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre 2013
5
La freccia del tempo nella fisica delle particelle elementari
Alberto Lusiani
Teorie di gauge
in MQR solo le teorie di gauge sono rinormalizzabili (predittive)
simmetria locale di gauge della lagrangiana
U (1)
SU (2)L
SU (3)
interazione con bosone vettore
interazione elettromagnetica, 1 generatore, 1 bosone vettore: fotone
interazione debole, 3 generatori, W +, W −, Z 0
interazione forte, 8 generatori, 8 gluoni
problema: simmetrie di gauge violate da masse sia di fermioni che di bosoni vettori
per questo è stato formulato il meccanismo di Higgs del Modello Standard
Bosone di Higgs
particella peculiare, spin zero, auto-interazione
minimo dell’energia corrisponde a campo diverso da zero: campo Higgs costante ovunque
interazione con campo di Higgs
identico ad avere una massa!
bosone di Higgs corrisponde all’oscillazione del campo intorno al valore di energia minima
Time travels – la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre 2013
6
La freccia del tempo nella fisica delle particelle elementari
Alberto Lusiani
Simmetrie discrete
P , parità: (x , y , z ) → (−x , −y , −z )
C , carica: C a → −C a inversione di tutte le cariche di tutte le particelle
T , inversione temporale: t → −t
nel contesto della MQR CPT è necessariamente conservato, ma possono essere violati C , P , T
Violazione di P e C
esperienza comune: processi fisici invarianti per P , C e CP
nel Modello Standard ciò è vero per interazioni forti, e.m. e gravitazionali
le interazioni deboli violano in maniera massimale sia C che P
◮ interazione debole agisce solo con particelle levogire (e antiparticelle destrogire)
scoperta nel 1947 (Chien-Shiung Wu) nei decadimenti del 60 Co
Time travels – la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre 2013
7
La freccia del tempo nella fisica delle particelle elementari
Alberto Lusiani
Violazione di CP
trasformazione CP trasforma da materia ad antimateria e viceversa
CP conservata in prima approssimazione, ma violata in piccola misura
CPV scoperta nel 1964 J.Cronin e V.Fitch, Nobel nel 1980
teoria di Kobayashi e Maskawa: CPV “naturale” nel MS se ci sono tre generazioni di particelle
◮ teoria confermata dalle misure di BABAR e Belle (iniziati nel 1999)
Nobel 2008 a Kobayashi e Maskawa
violazione di CP potrebbe spiegare asimmetria tra materia e anti-materia
Teorema CPT
le teorie (MQR) locali, causali e invarianti per trasformazioni di Lorentz, sono invarianti per CPT
violazione di CP implica violazione di T e viceversa
Time travels – la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre 2013
8
La freccia del tempo nella fisica delle particelle elementari
Alberto Lusiani
Particelle elementari e simmetrie
punti materiali dotati di massa, spin, cariche
per particelle senza massa l’elicita’ di conserva
la relatività ristretta di Einstein implica l’esistenza di antimateria:
◮ antimateria = materia cui sono applicate CP (carica e parità)
Time travels – la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre 2013
9
La freccia del tempo nella fisica delle particelle elementari
Alberto Lusiani
trasformazione di parità: spin invariato, impulso invertito di segno, elicita’ invertita
trasformazione di carica: invertito il segno di tutte le cariche
Time travels – la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre 2013
10
La freccia del tempo nella fisica delle particelle elementari
Alberto Lusiani
trasformazione CP : da materia ad antimateria e viceversa, l’elicità si inverte
trasformazione T , inverte impulso e spin, elicità invariata
Time travels – la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre 2013
11
La freccia del tempo nella fisica delle particelle elementari
Alberto Lusiani
part. negativa levogira che si allontana = part. positiva destrogira che si avvicina
CP e T sono trasformazioni analoghe da un certo punto di vista
Time travels – la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre 2013
12
La freccia del tempo nella fisica delle particelle elementari
Alberto Lusiani
Evidenza sperimentale della violazione di T
2012: BABAR, prima misura diretta di violazione di T senza assumere conservazione di CPT
fenomeno diverso rispetto alla freccia del tempo termodinamica e statistica (entropia)
Time travels – la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre 2013
13
La freccia del tempo nella fisica delle particelle elementari
Alberto Lusiani
The arrow of time
To the relief of physicists, time really does have a preferred direction
Sep 1st 2012 | from the print edition
TIME seems to
t flow
fl
inexorably
i
bl in
i one direction.
di ti
Superficially,
S
fi i ll that
th t is
i because
b
things
thi
d
deteriorate
t i t with
ith age—
and this, in turn, is because there are innumerably fewer ways to arrange particles in an orderly fashion than
in a jumbled mess. Any change in an existing arrangement is therefore likely to increase its disorder.
Dig a little deeper, though, and time’s arrow becomes mysterious. A particle cannot, by itself, become………
Time travels – la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre 2013
14
La freccia del tempo nella fisica delle particelle elementari
Time travels – la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre 2013
Alberto Lusiani
15
La freccia del tempo nella fisica delle particelle elementari
Time travels – la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre 2013
Alberto Lusiani
16
La freccia del tempo nella fisica delle particelle elementari
Alberto Lusiani
PHYSICS WORLD REVEALS ITS TOP
BREAKTHROUGHS FOR 2012
CERN discovers Higgs-like boson
Majorana fermions
Time-reversal violation
Time travels – la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre 2013
17
La freccia del tempo nella fisica delle particelle elementari
Alberto Lusiani
&%/
%0#+
!"#
Time travels – la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre 2013
18
La freccia del tempo nella fisica delle particelle elementari
Alberto Lusiani
#<+
Time travels – la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre 2013
19
La freccia del tempo nella fisica delle particelle elementari
Alberto Lusiani
<+9)
9
"-
-9""
)#G(
3-
GG
%F!-+
#+,# ,(
"
0#P7
(
9 "
,
(
'()
Time travels – la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre 2013
%=
20
La freccia del tempo nella fisica delle particelle elementari
Alberto Lusiani
#""
9)/&""
;@;/"",,
"E7(&'G'
Time travels – la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre 2013
21
La freccia del tempo nella fisica delle particelle elementari
Alberto Lusiani
#-"
;54 5;
$77>.?-
$$ @
$18
+@
21A58
;9-
7
5..,4.
"4 "#*8.
".
*
B,8C
1/
.-
'+,+
-"
E
/+"
"3 !+#
."
-"
!+"*!,
.K9-"
(
#G
+
Time travels – la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre 2013
22
La freccia del tempo nella fisica delle particelle elementari
Alberto Lusiani
012#3234536557 +!
!"#
$%&
,'!
'!
'()
*!
$!
+ -
'!././
!
Time travels – la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre 2013
23
La freccia del tempo nella fisica delle particelle elementari
Alberto Lusiani
6,,@; 8-"- -
80#5;)2&
#
8-"#"-+
Q#
#8I,,,
+,-
"#+;
0"
!"#
$"%
&' (
)
!"*
$"%
&' ()
Time travels – la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre 2013
24
La freccia del tempo nella fisica delle particelle elementari
Alberto Lusiani
@ -
#
#&
-"&-"#
#
#!
+#+R&0!0#"#-"0-%P&
++I,,0#
,
-
A B!-#,-
,
(
Time travels – la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre 2013
25
La freccia del tempo nella fisica delle particelle elementari
Time travels – la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre 2013
Alberto Lusiani
26
La freccia del tempo nella fisica delle particelle elementari
Time travels – la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre 2013
Alberto Lusiani
27
La freccia del tempo nella fisica delle particelle elementari
Time travels – la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre 2013
Alberto Lusiani
28
La freccia del tempo nella fisica delle particelle elementari
Time travels – la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre 2013
Alberto Lusiani
29
La freccia del tempo nella fisica delle particelle elementari
Alberto Lusiani
);-);
Time travels – la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre 2013
30
La freccia del tempo nella fisica delle particelle elementari
Alberto Lusiani
+
G=S
G=S
>FS
>FS
*8/8
*8/8
!2
#99
8
;9&G!%&&F&%&%
Time travels – la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre 2013
31
La freccia del tempo nella fisica delle particelle elementari
);
+
Alberto Lusiani
;9&G!%&&F&%&%
* / * / 99
8
);
+
J
9 8
Time travels – la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre 2013
32
La freccia del tempo nella fisica delle particelle elementari
Alberto Lusiani
)
",
?#,-
+#
,
,
(
#+#,-/
*"/0#
,"
"
);-);(
',/<"# -
,(
?
-
"P&(
,,"
0#);
,
, );"(
#"
,#-"
#(
Time travels – la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre 2013
33