Fisica delle particelle
Il Modello Standard
Introduzione
La Fisica delle particelle affronta le domande
fondamentali della storia del pensiero:
•Come funziona l’Universo?
•Da dove viene?
•Dove va?
•Quali sono i componenti ultimi
della materia?
•Come “si muovono”?
•Che cosa “li muove”?
La Fisica delle Particelle non è solo una classificazione “zoologica” delle particelle
esistenti in Natura, bensì aspira a comprendere il motivo della loro esistenza e le
regole che le governano
Introduzione
Sappiamo che la materia è in realtà un agglomerato di pochi
elementi fondamentali, che costituiscono tutto il mondo della
natura.
“Fondamentale" è una parola chiave: per elementi
fondamentali si intendono oggetti che sono semplici e privi di
struttura interna (cioè non composti da qualcosa di più
piccolo)
1. Esistono mattoni fondamentali?
2. Quali sono i mattoni fondamentali?
3. Come interagiscono?
4. Come determinano le proprietà dell’Universo?
Un po’ di storia …
Circa 2500 anni fa i filosofi greci cominciarono a chiedersi: “di
cosa è fatto il mondo?” e a cercare riposte usando la logica
Talete di Mileto (600 AC): acqua…
Anassimene: aria…
Pitagora: numeri…
Eraclito: fuoco…
Empedocle:
Quattro elementi: acqua, aria, terra, fuoco uniti o separati da
forze “morali” (amore e odio)…
Democrito (~400 AC):
Tutto costituito da particelle invisibili e indivisibili: atomi
Peso e forma diversa, combinati formano nuove sostanze
Un po’ di storia …
Alchimia/Chimica
(1780 - 1870)
- Classificazione degli
atomi in base alle proprietà
chimiche
- Evidenza di una“periodicità”
(Mendeleyev)
Indicazioni di una struttura
comune degli elementi
L’atomo è fondamentale?
Un po’ di storia …
La Fisica intorno al 1895
Meccanica Statistica (c 1860)
•
3 leggi della termodinamica
•
Teoria Cinetica
Meccanica (Gravità)
Leggi di Newton (1640)
1. Legge di Inerzia
2. F = m a
3. Reazioni uguali ed opposte
Leggi di Conservazione
• Energia
• Impulso
• Momento Angolare
Elettricità e Magnetismo
Equazioni di Maxwell (1880)
• Legge di Gauss
• Legge di Faraday
• Legge di Ampere
• No monopoli magnetici
Un po’ di storia …
1895 Röntgen scopre i raggi X.
1898 Marie e Pierre Curie separano gli elementi radioattivi,
Thompson misura l'elettrone e sviluppa il suo modello atomico
1900 Planck suggerisce che la radiazione sia quantizzata
1905 Einstein descrive il fotone come quanto di luce, che si comporta come una
particella. Propone inoltre l’equivalenza tra massa ed energia, la dualità
onda-particella, la relatività speciale
1911 Rutherford capisce che l’atomo ha un nucleo interno
1913 Bohr costruisce una teoria atomica basata sulla quantistica.
1919 Rutherford fornisce la prima evidenza dell’esistenza del protone
Un po’ di storia …
1921 Chadwick e Bieler concludono che una qualche forza forte tiene insieme il nucleo
1923 Compton scopre la natura particellare dei raggi X
1924 De Broglie propone che la materia abbia caratteristiche di onda
1925 Pauli formula il principio di esclusione per elettroni atomici.
Bothe and Geiger dimostrano che massa ed energia si conservano nei processi
atomici
1926 Schroedinger sviluppa la meccanica ondulatoria. Born dà una interpretazione
probabilistica della quanto-meccanica .
1927 Si osserva che alcuni materiali emettono elettroni (decadimento beta). Atomo e
nucleo hanno livelli di energia discreti: come possono emettere elettroni con uno
spettro di energia continuo?
Heisenberg formula il principio di indeterminazione.
1928 Dirac combina la meccanica quantistica e la relatività speciale per descrivere
l’elettrone.
Particelle-materia e particelle-forza
Anni '30 Ciclotroni
particelle “elementari”
elettrone
protone
neutrone
Anni '40 Emulsioni nucleari
pioni
(Collisioni di raggi cosmici con l'atmosfera)
muoni
Particelle-materia e particelle-forza
Particelle-materia e particelle-forza
Anni '50 Camera a bolle
(Collisioni tra protoni dell'idrogeno)
“zoo di particelle” fondamentali
(molto instabili, appena create decadono in
particelle più leggere)
Particelle-materia e particelle-forza
Troppe particelle!
Molta confusione!
ma…. doveva esserci un ordine nascosto …
Anni '70
tutte le particelle che erano
state scoperte negli anni precedenti non sono
per nulla elementari!
Particelle-materia e particelle-forza
Sono composte da altre particelle più piccole:
• i quarks
La maggior parte sono combinazioni di tre soli tipi
di quarks:
quark-u (up), quark-d (down) e quark-s (strange)
o dalle loro antiparticelle antiquark
Particelle-materia e particelle-forza
I quarks sono particelle “elementari” aventi carica
frazionaria (rispetto alla carica del protone):
quark-u (+2/3) antiquark-u (-2/3)
quark-d (-1/3)
antiquark-d (+1/3)
quark-s (-1/3)
antiquark-s (+1/3)
Curiosità… i nomi dei quarks
“up” e “down” per essere carichi di segno opposto
“strange” perché la sua vita media apparve stranamente lunga!
Particelle-materia e particelle-forza
Un aspetto da non sottovalutare...
In tutti gli esperimenti fatti finora con gli acceleratori non si è
mai rivelata una sola particella con carica elettrica pari a una
Frazione 1/3 o 2/3 della carica del protone.
Conclusione …
I quarks liberi non esistono!
Essi si legano insieme a tre a tre e a due a due per effetto di
una delle quattro forze fondamentali la cosiddetta “forza
Nucleare forte” e per questo sono chiamati adroni (dal greco
“hadròs” che significa “forte”)
Particelle-materia e particelle-forza
Adroni (composti da tre quarks)
• Barioni
protoni e neutroni
(dal greco “barùs”, che significa
“pesante”)
• Antibarioni
antiprotoni e
antineutroni
Particelle-materia e particelle-forza
Adroni (composti da un quark e un antiquark)
• Mesoni
pioni π (+,-)
kaoni k (0)
Particelle-materia e particelle-forza
Con la scoperta dei quarks la fisica delle particelle ha cambiato
volto, la combinazione delle particelle in termini di quark ha
permesso di spiegare in modo “semplice” i complicati eventi di
creazione di nuovi adroni osservati negli esperimenti.
Il modello a quark degli adroni ha messo ordine in una
situazione di grande confusione, ed è oggi una conoscenza
acquisita
Particelle-materia e particelle-forza
Il modello a quark degli adroni prevede con
estrema precisione le (relativamente poche)
reazioni subnucleari che accadono, mentre
esclude tutte le moltissime altre reazioni che negli
esperimenti non si osservano.
Particelle-materia e particelle-forza
Particelle-materia e particelle-forza
Esistono in realtà quarks di sei tipi:
quark-u
quark-d
“leggeri”
quark-s
quark-c (charm) +2/3
quark-b (bottom/beauty) -1/3
quark-t (top) +2/3
Particelle-materia e particelle-forza
Curiosità … i nomi dei quarks
“charm” e “beauty” per un capriccio dovuto
all'incanto suscitato da queste particelle nella
fantasia dei fisici che ne hanno previsto
l'esistenza, “top” perché la sua massa è quasi 20
volte maggiore del già “pesante” quark-b
Particelle-materia e particelle-forza
Riassumendo …
Stiamo costruendo un modello coerente …
quarks
u
c
t
d
s
b
materia
… ma non è finita qui….
Particelle-materia e particelle-forza
La materia è composta anche da altre particelle dette leptoni (dal
greco “leptos” che significa “debole”)
Essi sono sei:
elettrone (e)
muone (μ) “elettrone pesante”
“elettricamente carichi”
tauone o tau (τ) “elettrone pesantissimo”
neutrino elettronico (νe)
neutrino muonico (νμ)
neutrino del tau (ντ)
“elettricamente neutri”
Particelle-materia e particelle-forza
Particelle-materia e particelle-forza
I leptoni non sono soggetti alla forza forte
ma, come vedremo, alla “forza nucleare
debole”
Particelle-materia e particelle-forza
Riassumendo …
Stiamo costruendo un modello coerente …
u
c
t
d
s
b
e
μ
τ
νe
νμ
ντ
quarks
leptoni
materia
Il modello standard
Il modello standard è la costruzione “scoperta”
fondamentale della fisica delle particelle,
elaborata nella seconda metà del XX secolo
Escursus storico scoperte scientifiche:
XIX secolo Elettromagnetismo
1960 Unificazione forza elettromagnetica-forza
elettrodebole in ElectroWeak (elettrodebole) –
(Glashow, Weinberg, Salam)
1970 Teoria QCD (cromodinamica quantistica) –
Interazioni nucleari forti (Gross, Politzer, Wilczek)
1981 Scoperta bosoni W e Z (Rubbia CERN)
Il modello standard
Escursus storico scoperte scientifiche:
1936 μ (muone)
1956 νe (neutrino elettronico)
1962 νμ (neutrino muonico)
1968 quark s (strange)
1974 τ (tau)
1974 quark c (charme)
1977 quark b (bottom)
1995 quark t (top)
2000 ντ (del tau)
Il modello standard
