Fisica delle particelle
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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
