Fisica subatomica AA 2015-16

Fisica subatomica
A.A 2015-16
Giuseppe Pagliara
Orario lezioni: Martedi (10:30) – Mercoledi (14:30) – Giovedi (10:30)
Esami: scritto+orale, date da concordare col docente
Programma e bibliografia
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Il corso ha lo scopo di introdurre alcuni concetti e
nozioni fondamentali della fisica delle particelle
elementari e della fisica nucleare
Importante familiarizzare con scale
(energia/lunghezza), ordini di grandezza, processi di
scattering e decadimento, leggi di conservazione
Prerequisiti: fisica classica, relativita' speciale (che
verra' comunque ritrattata). Molto utile ricordare i
concetti principali di Meccanica quantistica
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Introduzione storica
Spazio tempo di Minkowski, trasformazioni
di Lorentz, quadrivettori velocita', momento
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Cinematica e dinamica relativistica
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Cenni di fisica nucleare e processi nucleari
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Processi di scattering e decadimento
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Il modello standard: interazione debole e
interazione forte, particelle elementari, leggi
di conservazione
Testi:
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“Particelle e nuclei”, Povh, Rith, Scholz, Zetsche
(Bollati Boringhieri)
“Relativita'”, Barone (Bollati Boringhieri)
“Quark and Leptons”, Halzen, Martin (John
Wiley & Sons) avanzato
“Particelle e interazioni fondamentali” (Braibant,
Giacomelli, Spurio) , medio
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Particle Data Group (PDG)
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Wikipedia !!
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Libri da comodino: “Understanding the
Universe” Don Lincoln, “Facts and Mysteries in
Elementary Particle Physics”
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… FISICA II:
Cariche elettriche positive
e negative, quantizzazione
e conservazione della
carica elettrica, interazione
elettromagnetica, forza di
Lorentz, Eq. di Maxwell
(1865), Onde, unificazione
dei fenomeni elettrici,
magnetici ed ottici!
La migliore comprensione dei fenomeni elettromagnetici ha
portato poi alla fine dell'Ottocento a:
Fisica sperimentale:
esperimento di MichelsonMorley (1887) , violazione della
relativita' galileiana
Fisica sperimentale:
-) scoperta dei Raggi-X (1895)
tramite i tubi di Roentgen
Interferenza
dell onde
EM
Non si
conosceva
ancora la
natura dei
raggi catodici
Fisica teorica:
Trasformazioni di
Lorentz ...Teoria della
relativita' speciale di
Einstein (1905)
-) scoperta della radioattivita'
“spontanea” di alcuni elementi
chimici da parte di Becquerell
(1896) e successivi sviluppi
dei Curie. Come i raggi X
anche questi raggi
impressionano le lastre
fotografiche
Fisica sperimentale:
scoperta dell'elettrone
nell'esperimento di
Thomson (1897)
...tra le varie possibilita'
Thomson ipotizzo' che la
carica dell'elettrone
fosse uguale a quella del
protone e che la sua
massa fosse 1/2000 di
quella del protone, primo
modello dell'atomo
(1904)
Misura del
rapporto carica
massa
dell'elettrone, circa
2000 piu' grande
dello ione
idrogeno (il
protone)
Atomi radioattivi: Rutherford
Radio, Polonio, Bario...)
Tre tipi di radioattivita' (1902):
1) raggi alpha : carica positiva, pesanti, fortemente ionizzanti,
assorbiti in pochi cm di aria
2) raggi beta: carica negativa, identici agli elettroni, penetrano
per qualche decimo di mm in alluminio
3) raggi gamma: neutri, penetrano diversi cm di piombo
Esperimento di Rutherford
(1909): Idea fondamentale per
tutta la fisica delle particelle:
bombardare atomi con
particelle α e studiarne la
deflessione
(...Uranio,
« It was quite the most incredible event that has ever
happened to me in my life. It was almost as incredible
as if you fired a 15-inch shell at a piece of tissue paper
and it came back and hit you. On consideration, I
realized that this scattering backward must be the result
of a single collision, and when I made calculations I saw
that it was impossible to get anything of that order of
magnitude unless you took a system in which the
greater part of the mass of the atom was concentrated in
a minute nucleus. It was then that I had the idea of an
atom with a minute massive centre, carrying a charge. »
Alpha
stoped
Il nucleo di H e' un
costituente fondamentale di
tutti i nuclei: scoperta del
Protone
Scoperta del neutrone
1932 Chadwick: con
semplici considerazioni
cinematiche il neutrone
deve avere circa la
stessa massa del
protone
Tutti i nuclei sono composti da protoni e neutroni,
Fisica Nucleare
Tutta la materia costituita da: elettroni e nuclei, Fisica
Atomica
Modello atomico di
Rutherford
...ovviamente non e' la fine della storia
Problema della stabilita'
degli atomi: perche'
l'elettrone non cade sul
nucleo a causa
dell'emissione di onde
EM ?
… l'impossibilita' di
spiegare gli spettri atomici,
insieme ad innumerevoli
altri puzzles osservativi
(effetto fotoelettrico, corpo
nero, diffrazione degli
elettroni, ecc ecc)
Bohr quantization 1913
Meccanica quantistica
non-relativistica: eq.
Schroedinger 1926
(Schroedinger, Heisenberg,
Pauli, Born, De Broglie...)
… provando a unificare la teoria della relativita' ristretta e la
Meccanica Quantistica:
Equazione di Dirac:
1928
...tra le altre implicazioni, in questa teoria si
ottiene “gratis” lo spin e si prevede l'esistenza
delle
antiparticelle (stessa massa delle
particelle ma carica opposta)
La scoperta dell'antimateria arriva 5
anni dopo, Anderson, Nobel 1936 (raggi
cosmici, traccia in una cloud chamber,
stessa massa e valore di carica
dell'elettrone. L'idea cruciale fu di
rallentare la particella con un lastra di
piombo in questo modo si poteva
determinare la direzione della velocita
qvBR=mv^2 )
...altre antiparticelle , antiprotone nel 1955 Segre' & Chamberlain
(Nobel 1959)
Fermi (Nobel 1938):
Esperimenti con neutroni lenti, fissione
indotta dei nuclei, Pila di Fermi 1942,
bomba atomica, reattore nucleare.
Padre dell' Interazione debole
Il fatto che l'elettrone emesso in un
decadimento Beta abbia uno spettro di
energia aveva portato Pauli ad ipotizzare
l'esistenza di una nuova particella, che
portasse via la missing energy. Utilizzando
questa ipotesi e l'equazione di Dirac, Fermi
scrisse la prima lagrangiana per descrivere
questa nuova forza responsabile dei
decadimenti beta. Battezzo' inoltre la nuova
particella neutrino
Reines & Cowan 1952 , prima
direct detection del neutrino
Yukawa 1935, introdusse l'idea di una
forza nucleare che tiene insieme i nuclei
mediata dallo scambio di una particella.
Il pione poi scoperto nel 1947 da Lattes,
Occhialini & Powell nei raggi cosmici.
Oltre ai raggi cosmici gli
acceleratori di particelle... dal
primo ciclotrone, Lawrence
(Nobel 1939), per arrivare al
moderno Large Hadron Collider
di Ginevra
f=Bq/(2 Pi m)
Particle data group:
http://pdglive.lbl.gov/listings1.brl?
quickin=Y
Il cosiddetto Zoo di particelle, era imbarazzante si credeva che i
protoni neutroni elettroni e neutrini fossero le uniche particelle
fondamentali come spiegare tutte le altre??
Il grande numero di atomi
e la periodicita' delle loro
proprieta' spiegata dal
fatto che non sono
fondamentali e indivisibili
ma formati a loro volta da
protoni-neutroni ed
elettroni cioe' particelle
“piu' elementari”
Una simile idea venne utilizzata nel 1964 da Gell-Mann e
Zweig per mettere ordine nel mondo degli adroni (le particelle
soggette all'interazione nucleare/forte)
Quark model
… come i numeri quantici dell'atomo permettono di organizzarne la struttura cosi' in fisica
adronica vengono introdotti i numeri quantici di isospin e stranezza che permettono di
organizzare le particelle in multipletti.
Si possono spaccare gli adroni e isolarne i costituenti??
Esperimenti di deep inelastic
scattering anni '60 (a SLAC ad ex.)
hanno in effetti mostrato
l'esistenza dei partoni, particelle
elementari quarks e gluoni,
confinamento.
… intanto sul versante teorico 1965 Feynmann – Tomonaga –
Schwinger prendevano il Nobel per l' Elettrodinamica Quantistica
(QED, una teoria di campo che dava risultati teorici (Lamb shift ad
ex) in accordo con i risultati sperimentali con precisioni relative di
10-8
Sul modello della QED vengono costruite le teorie di gauge che
descrivono l'interazione debole e l'interazione forte.
State of the art
… ultimo successo del
modello standard, la scoperta
del bosone di Higgs- Luglio
2012
… fine della Fisica fondamentale??
Problemi teorici
...puzzling observations
Matter antimatter asymmetry
Bullet cluster, 22% dark matter
(non sappiamo di cosa sia fatta,
forse particelle SUSY)
75% of energy Dark energy,
inflaton??
Onde gravitazionali (11/02/2016) un
nuovo tool per studiare l'Universo