Fisica 24 ore
La Fisica del Microcosmo
Dalla Meccanica Quantistica al Modello
Standard delle Particelle Elementari
Le due grandi rivoluzioni dell’inizio ‘900:
Meccanica Quantistica
Relatività
E = mc
Equazione di Dirac
µ
(ihγ ∂µ − m)ψ (x) = 0
2
L’equazione di Dirac descrive correttamente le proprietà dell’elettrone
Ma fa anche altro:
Prevede l’esistenza di una particella sconosciuta,
identica all’elettrone, ma con carica elettrica
positiva invece di negativa
Dirac prevede il positrone
N.B. la MATEMATICA suggerisce la FISICA
N.M.B. naturalmente, occorre controllare che sia vero!!!
La scoperta sperimentale del positrone
Nel 1932 Carl Anderson verifica
sperimentalmente la previsione
di Dirac
La curvatura (particella carica in campo magnetico)
ci dice che è una particella con carica POSITIVA
F = q(v × B)
Forza di
Lorentz
Una miriade di nuove particelle
Dopo il positrone i fisici cominciano a scoprire tantissime nuove particelle, diverse da
quelle che costituiscono normalmente la materia (protone, neutrone ed elettrone):
π, K, µ, Λ, ν, ω, ρ, ……….. etc etc etc
Enrico Fermi: “Ragazzo, se
io potessi ricordare il nome
di tutte queste particelle
sarei un botanico!”
Ma allora: cosa significa FONDAMENTALE??
Di cosa siamo veramente “fatti”?
Il problema della risoluzione:
più in dettaglio guardate, più dettagli vedete
Esperimento:
Teoria:
…UHMMMMMM….
È
…uhmmmmm….
qualcun
una
un uomo
MIA
fotoaltro
foto
Ricordate λ = h/p ?
costante di Planck
quantità di moto
lunghezza d’onda
Serve una grande energia per ottenere una piccola lunghezza d’onda
( = grande risoluzione)
Large Hadron Collider
Acceleratore protone-protone in
costruzione al CERN. Pronto nel 2007
Energia ~ 2 × 7000 volte la massa
del protone ⇒ λ ~ 10-18 m
27 km di circonferenza
Costo ~ 2.2 miliardi di euro
LHC nella campagna franco-svizzera attorno al CERN
LHC
CERN
SppS
N.B. Il tunnel è completamente sotterraneo
Uno dei 4 apparati sperimentali di LHC…
……e la sua caverna.
Un ipotetico evento a LHC
1900 - 1930: poche particelle
(protone, neutrone, elettrone)
Elementari?
1930 - 1960: esperimenti -> tantissime particelle
Grande confusione!!
1960 - 1970: inizia ad emergere un ordine
(quark, leptoni, 4 forze)
1970 - ????: il Modello Standard
I leptoni
Neutrino: introdotto da
Wolfgang Pauli ed Enrico Fermi
per preservare la conservazione
dell’energia nel decadimento
beta del neutrone
n → p + e− + ν e
Tre famiglie, ognuna
contenente un “elettrone”
e un neutrino
Muone: particella identica
all’elettrone, eccetto che per
la massa, 200 volte maggiore
I.I. Rabi: “Il muone, ma chi l’ha chiesto?”
I quark
Murray Gell-Mann
“Three quarks for Muster Mark ”
J. Joyce, Finnegan’s Wake
Up e down costituiscono la materia ordinaria (p = uud, n = udd)
Gli altri (“Ma chi li ha chiesti?”) compongono tutte le altre
particelle osservate
Le 4 forze (= interazioni)
Intensità
10-38
10-5
10-2
1
Ogni forza è trasportata da una specifica particella
Carlo Rubbia e Simon van der Meer
Premio Nobel per la Fisica 1984 per la scoperta
al CERN di Ginevra dei bosoni vettori W e Z,
portatori della forza debole
Il Modello Standard
“riassunto” delle attuali conoscenze circa la fisica
delle interazioni fondamentali:
• individua le particelle fondamentali
• individua le forze fondamentali (e.m., debole, forte)
• detta le regole attraverso cui le particelle interagiscono
tramite le forze (esempio: conservazione della carica elettrica)
• permette di effettuare previsioni teoriche confrontabili
con gli esperimenti
Il Modello Standard
QED
Premio Nobel per la Fisica 1965
( www.nobel.se/physics/laureates/1965/ )
Richard P.
Feynman
Julian
Schwinger
Sin-Itiro
Tomonaga
Interazioni
elettrodeboli
Premio Nobel per la Fisica 1979
( www.nobel.se/physics/laureates/1979/ )
Sheldon Lee
Glashow
Abdus
Salam
Steven
Weinberg
E le interazioni forti (QCD)?? Niente Nobel per ora!
Dimensioni
Se l’atomo fosse un campo da calcio (100 m), il nucleo sarebbe una biglia (1 cm)
Lo spazio è quasi totalmente vuoto!
Sono le forze che “creano” la solidità degli oggetti
Distanze
Perché la gravità e l’elettromagnetismo ci sono familiari,
mentre non sapevamo nulla della forza debole e di quella forte?
Perché hanno raggio d’azione INFINITO, mentre le forze
debole e forte sono confinate a BREVI DISTANZE
Un esempio di interazione tra particelle elementari
+ −
+
−
e e →D D
Elettrone e positrone si scontrano. La forza elettrodebole produce un charm e un anticharm
Il charm e l’anticharm si allontanano. La forza forte fa nascere un down e un antidown,
e li lega a charm e anticharm per formare le particelle osservabili D
La forza forte è speciale:
CRESCE allontanando le particelle
Nel campo di forze che si crea nascono nuovi quark, che
si legano ad altri e formano le particelle osservate
Non possiamo mai osservare i quark singolarmente.
…ma allora sappiamo già tutto?
Il bosone di Higgs
Il Modello Standard prevede una
particella tuttora sconosciuta, il
bosone di Higgs
L’Higgs è necessario affinché i quark, i leptoni, le particelle
che trasportano le forze abbiano una MASSA
O almeno…… così dice il Modello Standard
È per verificarlo sperimentalmente che si costruisce l’LHC
Ricordate:
• LHC non sarà pronto prima del 2007
• ci vorranno alcuni altri anni per raccogliere dati
• non è detto che ci sia solo il bosone di Higgs da scoprire
Se vi interessa, siete in tempo!!
