Introduzione
MODELLO STANDARD
Il Modello Standard riassume le conoscenze attuali sulle particelle fondamentali e
sulle forze che interagiscono tra esse.
Il Modello Standard descrive in quale modo la materia e' costituita a partire da un
insieme di particelle elementari.
Il Modello Standard spiega anche in quale modo un altro insieme di particelle,
denominate portatori di forza, produce effetti sulle particelle, attraverso differenti tipi
di interazione, per formare tutte le strutture del microcosmo.
Liceo Scientifico G. Ferraris - EEE CosmicBox Prof. Cottino Prof.ssa Porta
2
Il Modello Standard comprende due tipi
fondamentali di particelle:
Particelle di materia:
6 quark
6 leptoni
Portatori di forza
1 fotone
8 gluoni
3 bosoni
I quark ed i leptoni hanno anche la
corrispondente
anti
particella.
La
differenza più importante tra una particella
e la sua corrispondente antiparticella
consiste nel fatto che le loro cariche
elettriche hanno segno opposto.
Il Modello Standard include anche le
particelle di Higgs, che si suppone siano
responsabili delle differenti masse delle
particelle.
Liceo Scientifico G. Ferraris - EEE CosmicBox Prof. Cottino Prof.ssa Porta
3
Tutta la materia che noi vediamo
intorno a noi e' costituita da quark u,
da quark d e da elettroni. Queste tre
particelle appartengono alla prima
famiglia. Tutte queste famiglie
hanno giocato un ruolo importante
nei primi istanti di vita dell'universo,
ma poi le particelle appartenenti alla
seconda e alla terza famiglia sono
decadute nelle particelle della prima
famiglia.
Il Modello Standard suddivide i quark
e i leptoni in tre gruppi, denominati
famiglie. Nella tabella a sinistra sono
mostrate le particelle di materia, con
l'indicazione del loro nome, della
massa, dello spin e della carica
elettrica, espressa in frazioni della
carica e dell'elettrone. Osservate
come i quark abbiano una carica
frazionaria, espressa in unità di e,
mentre i tre leptoni hanno tutti la
stessa carica elettrica, uguale a
quella dell'elettrone
Liceo Scientifico G. Ferraris - EEE CosmicBox Prof. Cottino Prof.ssa Porta
4
Tre tipi di forze agiscono nel microcosmo. A
questo livello, esse agiscono direttamente sui
quark e i leptoni
Il Modello Standard descrive i diversi tipi di
interazione con l'aiuto delle particelle portatrici
di forza. I tre tipi di interazione sono:
•L'interazione forte (agisce sui quark; e' mediata
dai gluoni)
•L'interazione debole (agisce sia sui quark che sui
leptoni; e' mediata dai bosoni)
•L'interazione elettromagnetica (agisce
particelle cariche; e' mediata dai fotoni)
sulle
C'e' un quarto tipo di interazione che non e'
descritta dal Modello Standard: la gravità. Si
suppone che essa sia mediata dal gravitone (non
ancora scoperto). L'interazione tra singole
particelle dovuta alla gravità e' così piccola da
risultare trascurabile nella descrizione del
microcosmo.
Liceo Scientifico G. Ferraris - EEE CosmicBox Prof. Cottino Prof.ssa Porta
5
Tra le particelle che trasportano la forza solo i
tre bosoni della interazione debole hanno
massa; gli altri, il fotone e gli otto gluoni, sono
tutti senza massa.
I quark e i leptoni hanno tutti masse diverse. I tre
leptoni neutri, i neutrini, hanno una massa
molto piccola. Fino a poco tempo fa si riteneva
che fossero senza massa.
Le masse delle particelle sono indicati in unità di
elettronvolt scritto eV. Nel 1905 Albert Einstein
derivò un'equazione per il rapporto tra massa ed
energia: E = mc2, dove E = energia, m = massa e
c = la velocità della luce nel vuoto.
L'equazione dice quanta energia è necessaria
per creare una particella di massa m . Al
contrario una massa m può essere convertita in
energia, per esempio, quando una particella ed
una anti-particella si distruggono quando si
incontrano (annichilazione), o quando una
particella instabile decade in altre particelle ed
una piccola parte della massa diventa energia.
Liceo Scientifico G. Ferraris - EEE CosmicBox Prof. Cottino Prof.ssa Porta
6
Le diverse particelle di materia interagiscono una
con l'altra dentro e fuori gli atomi.
Questa interazione è mediata dai portatori di
forza: il fotone (interazione elettromagnetica),
tre bosoni W+ , W- e Z0 (interazione debole) e otto
gluoni (forte interazione).
La quarta forza nell’universo è la gravità. E’ molto
più debole rispetto alle altre forze e non gioca
alcun ruolo importante nel mondo delle
particelle.
Le particelle portatrici di forza possono essere
associate con due caratteristiche: la forza ed il
range. La forza è una misura delle dimensioni
degli effetti della forza e della probabilità di
un'interazione. Il range è una misura della zona
tipica di effetto della forza.
Liceo Scientifico G. Ferraris - EEE CosmicBox Prof. Cottino Prof.ssa Porta
7
Liceo Scientifico G. Ferraris - EEE CosmicBox Prof. Cottino Prof.ssa Porta
8
STABILITA’ DEI NUCLEI
Z=numero atomico o di protoni
A=numero di massa o di nucleoni
N=A-Z numero di neutroni
Rapporto neutroni/protoni nei nuclidi stabili. I nuclidi stabili si dispongono in una fascia
intorno alla linea (a) che, fino a Z=20 coincide praticamente con la retta n/p=1, poi se ne
discosta al prevalere di n su p. Al di fuori della fascia si trovano i nuclidi instabili.
Liceo Scientifico G. Ferraris - EEE CosmicBox Prof. Cottino Prof.ssa Porta
9
RADIOATTIVITA’
Perché non esistono nuclei stabili contenenti un numero di neutroni molto più alto del
numero di protoni?
n p e
decadimento β
La reazione avviene solo se il numero di neutroni eccede un determinato valore; al di
sotto di quel valore il neutrone è stabile. Ciò impedisce l’esistenza di nuclei privi di
neutroni (a parte l’idrogeno) ed anche quella di nuclei con numero di neutroni molto
inferiore a quello dei protoni
Perché non esistono nuclei stabili contenenti un numero di protoni molto più alto del
numero di neutroni?
214
84
Po
polonio
210
82
Pb
piombo
4
2
He
decadimento α per A>200 e Z>82
particella
Liceo Scientifico G. Ferraris - EEE CosmicBox Prof. Cottino Prof.ssa Porta
10
Ricordiamo che esistono sei diversi quark, raggruppati in tre famiglie. Per
ciascun quark esiste poi il corrispondente antiquark (ad esempio,
l'antiquark del quark u, l'anti-u). Gli antiquark hanno la stessa massa e la
stessa vita media del quark corrispondente, ma carica elettrica di segno
opposto.
Tutti questi quark interagiscono gli uni con gli altri attraverso le interazioni
forti. I quark si combinano insieme per formare particelle denominate
adroni (dal Greco hadros = forte). Il nome deriva dal fatto che le interazioni
forti entrano in gioco quando gli adroni interagiscono gli uni con gli altri.
Gli adroni sono suddivisi in due gruppi di particelle: gli adroni costituiti da
tre quark (o tre antiquark) si chiamano barioni (dal Greco baros = pesante),
mentre gli adroni costituiti da due quark (un quark ed un antiquark) si
chiamano mesoni (dal Greco mesos = medio/mezzo).
Non esistono adroni costituiti da un solo quark, ed al momento non ci sono
indicazioni dell'esistenza di adroni composti da piu' di tre quark. I nuclei
degli atomi dell'Universo sono costituiti dai quark della prima famiglia. Gli
altri quattro quark (ed i corrispondenti antiquark) sono utilizzati per
costruire particelle a breve vita media, che non esistono nel nostro
ambiente naturale: esse sono esistite in grande numero nei primi istanti di
vita dell'Universo e vengono oggi prodotte negli esperimenti di fisica,
mediante urti di particelle ad alta energia.
Liceo Scientifico G. Ferraris - EEE CosmicBox Prof. Cottino Prof.ssa Porta
11
Tutti gli adroni sono costituiti da varie combinazioni di quark ed antiquark. I
quark sono tenuti insieme dalle interazioni forti, che sono mediate dai gluoni.
Anche se i quark hanno carica elettrica frazionaria, tutti gli adroni hanno
sempre carica elettrica intera.
Come già ricordato, i barioni sono costituiti da tre quark. I neutroni ed i protoni
appartengono a questo gruppo di particelle pesanti e con essi sono formati i
nuclei atomici di cui e' costituito il nostro Universo. I quark che costituiscono
protoni e neutroni appartengono alla prima famiglia.
Il protone e' costituito da due quark up e da un quark down (uud). Il neutrone e'
costituito da un quark up e da due quark down (udd).
Molte altre combinazioni sono naturalmente possibili (ad esempio, uuu o ddd
che costituiscono rispettivamente le particelle Δ++ e Δ-). Anche combinazioni
che contengono quark appartenenti alla seconda e alla terza famiglia
costituiscono dei barioni, che però hanno una vita media molto breve, ad
esempio le particelle Σ (queste particelle più pesanti sono chiamate iperoni).
I mesoni, le particelle pesanti con massa intermedia, sono costituiti da un
quark e da un antiquark. Due esempi: il mesone pi positivo (u, anti-d) e il
mesone K- negativo (s, anti-u).
Liceo Scientifico G. Ferraris - EEE CosmicBox Prof. Cottino Prof.ssa Porta
12
La parola lepton deriva dal greco "luce". I sei leptoni sono tutti
elementari, nel senso che non si compongono di altri componenti.
I leptoni sono l’elettrone (e -), il muone (µ-) e il tau (τ-). Le loro
antiparticelle hanno una carica positiva (+1).
I tre leptoni neutri sono: l'elettrone-neutrino (νe), il muoneneutrino (νµ) e il neutrino-tau (νt). Anche i neutrini hanno
antiparticelle; esse sono diverse dai neutrini attraverso i cosiddetti
numeri quantici interni.
Liceo Scientifico G. Ferraris - EEE CosmicBox Prof. Cottino Prof.ssa Porta
13
Uno dei leptoni, l'elettrone, è parte del atomo. Dentro
l'atomo gli elettroni sono distribuiti intorno al nucleo
positivo, formando una "nuvola" di carica negativa, con un
diametro di circa 10 - 10 metri. Teoricamente gli elettroni
sono considerati puntiformi. Gli esperimenti dimostrano
che il diametro è inferiore a 10 - 18 m.
Il fisico inglese J. J.Thomson scoprì
l'elettrone alla fine del 1890.
L'elettrone è stabile, il che significa che non decadono. Se
incontra la sua antiparticella, il positrone , può annichilarsi.
In questo processo, le masse delle due particelle vengono
trasformate in energia sotto forma di fotoni gamma (fotoni
di alta energia).
Liceo Scientifico G. Ferraris - EEE CosmicBox Prof. Cottino Prof.ssa Porta
14
Il muoni (µ+ e µ-) sono creati dalla radiazione
cosmica
che
bombarda
costantemente
l'atmosfera terrestre.
La maggior parte di questa radiazione è
costituita da protoni, che producono nuove
particelle (nella maggior parte dei casi pi-mesoni)
in collisione con le molecole dell’atmosfera.
Queste particelle decadono (tra le altre cose) in
muoni. Il muoni decadono rapidamente in altre
particelle (e+ , e- e neutrini).
Detto dal fisico I. Rabi alla scoperta del
muone dato che il muone non si adattava
alla teoria delle particelle di quel tempo.
La vita dei muoni è così breve (circa 2,2 micro
secondi), che i muoni creati da parte della
radiazione cosmica ad alta altitudine (alcune
decine di chilometri) non dovrebbe avere il
tempo per raggiungere la superficie della terra
prima di decadere. Ma i muoni possono essere
rilevati sulla superficie della terra in rivelatori
chiamati camere a nebbia. Ciò può essere
spiegato con la dilatazione del tempo, che è una
implicazione della teoria della relatività speciale
di Einstein (1905).
Liceo Scientifico G. Ferraris - EEE CosmicBox Prof. Cottino Prof.ssa Porta
15
La particella tau è stata scoperta negli anni 70 in
esperimenti con collisioni di particelle ad alta
energia (tra elettroni e positroni con una energia
di circa 5 GeV).
Le proprietà delle particelle tau sono simili alle
proprietà degli elettroni, ma sono di massa molto
maggiore (3500 volte superiore). Pertanto,
decadono in altre particelle più leggere (altri
leptoni o uno o più adroni).
La ricostruzione di una traccia
elettrone-muone dal rivelatore. I
due pesanti leptoni tau decadono
in pochi millimetri dal punto di
collisione e non possono essere
visti direttamente. I neutrini non
possono essere visti, solo
l'elettrone e il muone vengono
rilevati.
La particella tau ha vita media di circa 0,3 pico
secondi. Non possiamo quindi mai vedere le
particelle in tau nelle reazioni ma siamo in grado
di individuare le particelle in cui il tau decade e
quindi indirettamente concludere che una
particella tau è stata creata inizialmente.
Liceo Scientifico G. Ferraris - EEE CosmicBox Prof. Cottino Prof.ssa Porta
16
I tre leptoni, l'elettrone, il muone e il tau sono tutte a
cariche negativamente (la carica delle loro
antiparticelle è ovviamente positiva). Gli altri tre
leptoni, i neutrini, sono tra le particelle che sono più
difficili da osservare. Essi non hanno carica elettrica ed
una piccola massa; reagiscono molto raramente con la
materia e sono dunque praticamente inosservabili.
I tre leptoni neutri sono: l'elettrone-neutrino (νe ), il
muone-neutrino (νµ ) e il neutrino-tau (νt ). Anche i
neutrini hanno antiparticelle; esse sono diverse dai
neutrini attraverso i cosiddetti numeri quantici interni
I punti neri nel grafico sono stati ricavati
tramite l’acceleratore LEP al CERN. I punti si
trovano sulla linea rossa, che corrisponde
all’ipotesi che il numero di famiglie di
particelle di materia siano tre. (Source CERN)
Esistono in totale sei quark e sei leptoni. I quark e i
leptoni sono parte di un descrizione sistematica dei
componenti della materia e del modo in cui questi
interagiscono. E 'stato dimostrato (vedere la figura a
sinistra) che queste particelle non possono essere
superiore a dodici raggruppate in tre famiglie.
Liceo Scientifico G. Ferraris - EEE CosmicBox Prof. Cottino Prof.ssa Porta
17
Il Modello Standard descrive due
tipi di particelle. Un gruppo è
formato dalle particelle
di
materia con quark e leptoni. Il
secondo gruppo sono le particelle
che trasportano forza, che
spiegano come le particelle di
materia interagiscono l'una con
l'altra. Come prima forza di
gravità esclusa, in quanto non si
tratta di una parte del Modello
Standard.
I quattro tipi d’interazione. La riga in alto mostra i portatori
di forza per ogni interazione.
I portatori di forza sono:
•il fotone (elettromagnetismo)
•8 gluoni (interazione forte)
•3 bosoni (interazione debole)
L’ultima riga mostra quali particella di materia sono
interessate dalle diverse interazioni
Liceo Scientifico G. Ferraris - EEE CosmicBox Prof. Cottino Prof.ssa Porta
18
Immaginate che l'orbita della Luna intorno alla
Terra sia disturbata attraverso un collisione con
una cometa. Ciò comporta la necessità di una
perturbazione sulla terra, che interesserà per
esempio, la marea.
Secondo la teoria della relatività nessuna
informazione può
essere trasmessa più
velocemente della velocità della luce. La
perturbazione sulla terra sarà quindi osservata
circa un secondo dopo la collisione con la
cometa, che è circa lo stesso tempo che
impiega la luce a viaggiare dalla luna alla terra.
Una sorta di mediatore di informazioni tra due
particelle si rende necessario. Nella figura la
perturbazione nel campo di gravità può essere
descritta come uno scambio di particelle. Le
chiamiamo portatori di forza o particelle di
scambio. Il portatore di forza di gravità è
chiamato “gravitone". Non è ancora stato
osservato.
Liceo Scientifico G. Ferraris - EEE CosmicBox Prof. Cottino Prof.ssa Porta
19
L'elettromagnetismo agisce tra particelle
elettricamente cariche. La sua particella
mediatrice è il fotone che trasmette le
informazioni (impulso ed energia) tra
particelle cariche. Il fotone non ha carica,
ed è anche senza massa.
E’ lo scambio di fotoni tra la carica negativa
degli elettroni e quella positiva del nucleo
che conserva intatto l'atomo e ne
determina la sua dimensione. Le
dimensioni ridotte dell’atomo sono il
risultato di tale interazione relativamente
forte.
Liceo Scientifico G. Ferraris - EEE CosmicBox Prof. Cottino Prof.ssa Porta
20
I gluoni mediano l'interazione forte. Questa
interazione agisce solo tra i quark ed è
incaricata di tenere insieme i quark negli adroni
ma non possibile osservare un quark libero!
Se uno cerca di "tirare fuori" un quark da un
adrone l’interazione forte funziona come un
elastico. Se uno tira troppo l’elastico si rompe,
cioè si crea una nuova coppia quark-antiquark.
Insieme con l'iniziale quark, questi quark
appena creati formano rapidamente nuovi
adroni. Questo processo è talmente veloce uno
che non ha il tempo di osservare qualsiasi quark
libero. Ciò significa che l’effetto dei gluoni è
visibile solo all'interno del barioni e mesoni.
L’interazione forte è inoltre responsabile
dell’unione dei barioni nel nucleo atomico .
L’interazione forte sovrasta la repulsione
elettrica tra le cariche positive all'interno del
nucleo.
Liceo Scientifico G. Ferraris - EEE CosmicBox Prof. Cottino Prof.ssa Porta
21
L'interazione debole è mediata da tre bosoni. A
differenza delle altre particelle di scambio tutti e
tre hanno massa e due di essi (W+ e W-) sono
elettricamente carichi.
La forza debole ha anche un’altra caratteristica
diversa rispetto alle altre tre forze. Essa non può
essere intesa come una forza nel senso
tradizionale del termine in quanto è responsabile
di molti tipi di trasformazione di particelle.
Si può trasformare un quark in un altro e, quindi,
per esempio trasformare un neutrone in un
nucleo atomico in un protone emettendo un
elettrone e un neutrino-elettrone. E’ importante
capire che si tratta di un quark nel neutrone che
si trasforma in un altro quark (d -> u) e che allo
stesso tempo un elettrone e un antineutrino sono
creati - non esistono all'interno del nucleo
all’inizio del decadimento!
L'interazione debole prevede tre particelle di
scambio: W+ , W- e Z0 ma in ogni trasformazione
solo una di queste è coinvolta.
Liceo Scientifico G. Ferraris - EEE CosmicBox Prof. Cottino Prof.ssa Porta
22
Il bosone Z0 della forza debole è elettricamente
neutro. A differenza dei fotoni e dei gluoni ha
massa; la sua massa è 91 GeV.
Il più grande acceleratore di elettroni-positroni
(febbraio 2004) è LEP (Large Electron-Positron
Collider), al CERN (Centro Europeo di Fisica delle
Particelle). E 'stato costruito principalmente per
studiare la particella Z0.
Questo esempio ricostruito al computer
mostra un esempio di una particella Z0
creata in una collisione elettrone-positrone.
Dopo la sua creazione rapidamente decade
in un quark e un antiquark sotto l'influenza
di interazione debole. Entrambi i quark
saranno individuati attraverso un getto di
adroni che lascia tracce nel rivelatore.
Quando la collisione di elettroni e positroni le cui
energie sono circa 45,5 GeV le particelle pesanti
Z0 di 91 GeV possono essere create.
La particella Z 0 poi decade rapidamente (in circa
10 - 24 s) in una coppia di quark (quark-antiquark),
o ad una coppia di leptoni (leptone-antileptone)
Liceo Scientifico G. Ferraris - EEE CosmicBox Prof. Cottino Prof.ssa Porta
23
l bosoni W+ e W- sono elettricamente carichi e,
come la Z0 , sono di massa: 80 GeV. W+ è
l'antiparticella di W-.
L'immagine mostra un esempio di
decadimento di una particella sotto
l'influenza dell’interazione debole.
Un neutrone si trasforma in un protone; un
elettrone e un antineutrino vengono
emessi. La W- agisce come un portatore di
forza.
Nell’universo iniziale molto caldo, sia luce e
quark pesanti potrebbero essere stati creati. Con
il passare del tempo i quark pesanti decaddero
nelle particelle più leggere che vediamo intorno a
noi oggi. Queste trasformazioni di particelle sono
mediate (tra gli altri) da particelle W, quindi
molto comuni nei primi istanti dell’universo.
Usando
gli
esperimenti,
ad
esempio
l’acceleratore LEP al CERN, possiamo ricreare e
osservare gli effetti delle particelle pesanti W.
Nel decadimento del neutrone, il quarkdown si trasforma in un quark-up e una
particella W-. La particella W- si trasforma in
un elettrone e un antineutrino-elettrone.
Liceo Scientifico G. Ferraris - EEE CosmicBox Prof. Cottino Prof.ssa Porta
24
