- Altervista

PARTICELLE E INTERAZIONI
FONDAMENTALI
PARTICELLE-MATERIA (FERMIONI)
QUARK
SIMBOLO
CARICA
MASSA
(GeV)
INTERAZIONE
COLORE
SPIN
UP
u (+2/3)
0,002
forte
elettromagnetica
debole
blu – verde - rosso
1/2
DOWN
d (-1/3)
0,005
forte
elettromagnetica
debole
blu – verde - rosso
1/2
CHARM
c (+2/3)
1,27
forte
elettromagnetica
debole
blu – verde - rosso
1/2
STRANGE
s (-1/3)
0,10
forte
elettromagnetica
debole
blu – verde - rosso
1/2
BOTTOM
b (-1/3)
4,2
forte
elettromagnetica
debole
blu – verde - rosso
1/2
TOP
t (+2/3)
174
forte
elettromagnetica
debole
blu – verde - rosso
1/2
PARTICELLE-MATERIA
(FERMIONI)
LEPTONI
SIMBOLO
CARICA
MASSA
(MeV)
VITA
MEDIA
INTERAZIONE
SPIN
ELETTRONE
e (-1)
0,511
stabile
elettromagnetica
debole
1/2
MUONE
μ (-1)
105.6
2*10-6
elettromagnetica
debole
1/2
TAU
τ (-1)
1784
3*10-13
elettromagnetica
debole
1/2
NEUTRINO (e)
νe (0)
< 14 eV
stabile
debole
1/2
NEUTRINO (μ)
νμ (0)
< 0.25 eV
stabile
debole
1/2
NEUTRINO (τ)
ντ (0)
< 25 eV
stabile
debole
1/2
PARTICELLE-MEDIATRICI
(BOSONI)
BOSONI
VETTORI DI
GAUGE
SIMBOLO
CARICA
MASSA
(GeV)
FOTONE
γ (0)
0
GLUONE (8)
g (0)
0
BOSONE
W (+1)
BOSONE
COLORE
INTERAZIONE
SPIN
elettromagnetica
1
forte
1
80.4
debole
1
W (-1)
80.4
debole
1
BOSONE
Z (0)
91.2
debole
1
BOSONE
SCALARE
SIMBOLO
CARICA
MASSA
HIGGS
h
125
R, V, B
COLORE
INTERAZIONE
higgs
0
Particelle reali e virtuali

Una particella con massa m, momento p,
energia totale E è detta reale se soddisfa alla
relazione: E = √(mc2 + p2 c2)
(Conservazione dell’energia in forma
relativistica).

Altrimenti è una particella virtuale, che per il
principio di indeterminazione può esistere per
un tempo limitato.
Statistiche quantiche
Conseguenze del principio di indeterminazione


Sulla base del principio di indeterminazione di
Heisenberg non è possibile definire lo stato
microscopico di un sistema di particelle quantistiche
assegnando le posizioni e velocità di tutte le
particelle.
Ciò influenza (anche) la possibilità di disinguere due
particelle (indistinguibilità)
Statistiche quantiche


Dal momento che la meccanica statistica tratta
solo le proprietà osservabili, queste devono
essere indipendenti dalla distinguibilità o meno
delle particelle.
L’osservabile più semplice, in meccanica
quantistica, è quello che determina la probabilità
di trovare le particelle in delle posizioni
Statistiche quantiche

Da ciò segue che le particelle in natura si dividono in due
classi distinte, a seconda della proprietà di simmetria o
antisimmetria che possiedono:

bosoni (funzione d’onda simmetrica)

fermioni (funzione d’onda antisimmetrica).


Ciascuna di esse ha comportamenti statistici assolutamente
diversi.
La prima classe di particelle seguirà la statistica di BoseEinstein (1924), la seconda quella di Fermi-Dirac (1926)
Statistiche quantiche

Statistica di Bose-Einstein
Un numero illimitato di particelle può occupare lo stesso
stato energetico contemporaneamente.
BOSONI
(spin intero: 0, 1, 2,...)
Statistiche quantiche

Statistica di Fermi-Dirac
Particelle che obbediscono al principio di esclusione di
Pauli: ovvero non possono esistere nello stesso stato
fisico due fermioni aventi gli stessi numeri quantici.
FERMIONI
(spin semintero: 1/2, 3/2,….)
Campi (anziché particelle)
fondamentali


In un evento di annichilazione tra un elettrone e un
positrone compaiono decine di particelle che nulla
hanno a che fare con gli stessi (la scomparsa di due
fragole da origine a una cascata di noccioline, mele,
banane...!)
La domanda è : “Come fanno le fragole a sapere che
nel mondo esistono noccioline, mele e banane?”
Campi (anziché particelle)
fondamentali


La soluzione è che lo spazio vuoto non può essere
veramente “vuoto”, deve essere permeato da enti
impalpabili, detti CAMPI, che contengono
l'informazione necessaria
Ogni cosa nell'universo è costituita da campi: campi
di forza che “spingono” e “tirano” e campi di
materia le cui vibrazioni sono particelle
Campi (anziché particelle)
fondamentali


In assenza di energia, tutti i campi sono
quiescenti e appaiono inerti.
Quando si inietta energia, uno dei campi viene
eccitato sotto forma di perturbazioni localizzate,
“increspature” che si propagano nello spazio
vuoto trasportando una parte di quell'energia
Campi (anziché particelle)
fondamentali


I campi hanno un valore in ogni punto dello
spazio, e quando lo spazio è completamente
vuoto questi valori sono “zero”
Con “vuoto” si intende “il più vuoto possibile” o ,
più specificatamente, “con l'energia più piccola
che sia possibile avere”
Campi (anziché particelle)
fondamentali


In base a questa visione, ogni particella non è
altro che una perturbazione localizzata del
corrispondente campo fondamentale
È un “quanto” che viagga da un punto all'altro
dello spazio, trasportando una ben definita
quantità di energia
Campi (anziché particelle)
fondamentali

Fotone
campo elettromagnetico

Elettrone
campo elettronico

Quark-u
campo quarkonico-u

Gluone
campo gluonico

Ecc...
Campi (anziché particelle)
fondamentali

In sintesi, tutti i campi presentano
microscopiche vibrazioni a causa dell'intrinseca
indeterminazione quantistica, e queste sono
vibrazioni attorno a un qualche valore medio,
che tipicamente è zero.
Campi (anziché particelle)
fondamentali


I campi bosonici (le cui vibrazioni sono i bosoni, le
particelle mediatrici) possono assumere qualsiasi
valore
I campi fermionici (le cui vibrazioni sono i fermioni,
particelle di materia) invece no. Ciascuna possibile
frequenza di vibrazione, semplicemente, o c'è
oppure non c'è
L'Higgs




L'Higgs è differente!
È un campo, esattamente come gli altri, e può assumere
valore zero o diverso da zero
Ma, in realtà, NON VUOLE valere zero!
VUOLE assestarsi su un qualche valore ovunque
costante nell'universo
L'Higgs
Il campo di Higgs ha meno energia
quando è non nullo rispetto a quando è
nullo!

Il valore a riposo è diverso da zero


Il risultato è che lo spazio vuoto è completamente
permeato dal campo di Higgs, un solo campo costante,
tranquillamente presente sullo sfondo
L'Higgs
Valore del
campo
Valore a
riposo
dell'Higgs
L'Higgs
Campo di Higgs
Altri campi
(elettromagnetico, gluonico,
elettronico, ecc..)
Posizione nello spazio
L'Higgs



Il termine “scalare” indica che per descriverlo in
qualsiasi punto dello spazio è sufficiente un valore
numerico
Il campo di Higgs, come già detto, contiene
energia anche nello stato imperturbato
Ciò è consegnunza di una sua speciale proprietà:
l'energia del campo scalare si riduce quando
lo spazio anziché vuoto è “affollato” da bosoni
L'Higgs
È questo campo sempre presente
in ogni punto dell'universo che
conferisce una massa ai fermioni
elementari

Il bosone di Higgs è una vibrazione
di questo campo attorno al suo
valore medio

L'Higgs
Ma l'higgs è un bosone differente dagli altri chiamati
“bosoni di gauge”
L'higgs è quello che viene
chiamato “bosone scalare”, nel
senso che ha spin zero

Inoltre, esso “non emerge da
qualche simmetria della natura”

L'Higgs
Essendo un bosone può essere scambiato avanti e
indietro da altre particelle, quindi esso interagisce con
tutte le particella massive

Più fortemente una particella si accoppia
all'higgs, tanta più massa raccoglie
muovendosi all'interno del campo di Higgs
che permea lo spazio vuoto
L'Higgs
Questa caratteristica peculiare è cruciale quando si deve
studiarlo all'LHC

Il bosone di higgs è esso stesso molto pesante,
questo vuol dire che non si è in grado di
osservarlo direttamene perché decade subito in
altre particelle
Identificare le particelle
La fisica delle particelle è come un racconto poliziesco.
Sulla scena del crimine di solito non si trova il colpevole
con in mano l'arma del delitto, ma solo indizi confusi
Analogamente, i fisici sperimentali, quando devono
analizzare il prodotto di collisioni non si aspettano di
trovare un cartello con scritto “salve, sono il bosone di
Higgs!”, purtroppo esso decade subito in altre particelle
Identificare le particelle
Però nemmeno queste particelle, con le loro scie,
portano su scritto “io sono un muone e mi sto muovendo
a 0,958c...”
Quindi, bisogna capire, per esempio, se un certo muone
è stato prodotto dal decadimento di un higgs, o di un
bosone Z, o di qualche altra particella
Identificare le particelle
La buona notizia è che il numero complessivo delle
particelle del MS è abbastanza maneggevole
Ci sono 6 qurak, 6 leptoni e una manciata di bosoni
(gluoni, W, Z e Higgs)
Lo scopo degli esperimenti con acceleratori è quello di
rilevare con la massima precisione possibile quali
particelle emergono dalle collisioni e determinare le loro
masse, le cariche e le interazioni
Identificare le particelle
E' facile determinare se una particella sente l'interazione
forte perché queste interazioni sono veramente forti
Quark e gluoni lasciano in un rilevatore tracce
completamente diverse rispetto a quelle lasciate da
fotoni e leptoni
Per la loro intrinseca natura essi si ritrovano confinati
all'interno di qualche adrone (a tre e sono barioni, o due
se sono mesoni)
Identificare le particelle
Questi adroni urtano immediatamente qualche nucleo
atomico, il che li rende facili da identificare
In effetti, quando viene prodotto un quark o un gluone ad
alta energia, le interazioni forti, di solito, ne causano la
frammentazione in una pioggia di adroni, conosciuta
come “jet”
N.B. E' molto facile capire se è stato prodotto un quark o un
gluone, molto più difficile misurarne le proprietà precise
Identificare le particelle
Analogamente è puittosto facile determinare la carica
elettrica di una particella, grazie ai campi magnetici
Infatti, il tunnel dell'LHC è pieno di potentissimi magneti
che spingono i protoni nell condotto circolare e i vari
rilevatori che sono posizionati nei quattro punti di
collisione sono immersi in campi magnetci che deviano
le particelle in direzioni diverse facilitandone
l'identificazione
Identificare le particelle
Se una particella in moto viene deflessa in una certa
direzione ha “carica positiva”
Se viene deflessa nella direzione opposta ha “carica
negativa”
Se si muove in linea retta è “neutra”
LHC
LHC
Il Large Hadron Collider (LHC) è più grande e potente acceleratore di particelle al mondo.
È costituito da un anello 27 chilometri nel quale sono collocati dei magneti superconduttori
con un numero di strutture acceleranti per aumentare l'energia delle particelle lungo la
strada.
All'interno dell'acceleratore, due fasci di particelle ad alta energia viaggiano quasi alla
velocità della luce, per essere fatti collidere.
I fasci viaggiano in direzioni opposte in tubi ottici separati - due tubi tenuti a ultra alto vuoto.
Essi sono guidati lungo l'anello acceleratore da un forte campo magnetico superconduttore
mantenuto da elettromagneti.
Gli elettromagneti sono costruiti da bobine di cavo elettrico speciale che opera in uno stato
superconduttore, conducendo elettricità senza resistenza o perdita di energia.
Ciò richiede il raffreddamento dei magneti a -271,3 ° C - una temperatura più fredda di
spazio cosmico.
LHC
Migliaia di magneti di diverse varietà e dimensioni sono
utilizzati per incurvare i fasci intorno l'acceleratore.
Questi includono 1232 dipoli magneti di 15 metri di
lunghezza e 392 quadrupoli magnetici, ognuno di 5 -7
metri di lunghezza, che concentrano i fasci.
Appena prima di collisione, un altro tipo di magnete viene
utilizzato per "spremere" le particelle insieme per
aumentare le possibilità di collisioni.
Gli esperimenti lungo l'anello
Gli esperimenti più grandi dell'LHC ai quali è stato
affidato il compito di ricercare l'higgs, prendono il nome
di CMS (Compact Muon Solenoid) e ATLAS (A
Toroidal LHC ApparatuS)
CMS (lunghezza 22 metri, peso 13.800 tonnellate)
ATLAS (lunghezza 46 metri, peso 7.700 tonnellate)
Gli esperimenti lungo l'anello
In LHC vi sono altri 5 esperimenti di medie dimesioni:
ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
LHCb (Large Hadron Collider bottom)
E tre piccoli:
TOTEM, LHCf, MoEDAL
Gli esperimenti lungo l'anello
Gli esperimenti lungo l'anello
Gli esperimenti lungo l'anello
LINAC 2
L'acceleratore Linac 2 è il punto di partenza per i
protoni utilizzati negli esperimenti al CERN.
Gli acceleratori lineari utilizzano cavità a
radiofrequenza per caricare conduttori
cilindrici.
I protoni passano attraverso i conduttori, che
vengono alternativamente caricati positivamente
o negativamente.
I conduttori che stanno dietro “spingono” le
particelle e i conduttori che stanno davanti le
“tirano”, provocando un'accelerazione.
Piccoli quadrupoli magnetici assicurano che i
protoni restino in un fascio stretto.
Gli esperimenti lungo l'anello
Gli esperimenti lungo l'anello
La fonte dei protone è una bottiglia di idrogeno
gassoso posta ad una estremità del Linac 2.
L'idrogeno viene fatto passare attraverso un
campo elettrico per togliere i suoi elettroni,
lasciando solo protoni che saranno inseriti
nell'acceleratore.
Nel momento in cui raggiungono l'altra estremità, i
protoni hanno raggiunto l'energia di 50 MeV e
guadagnato 5% in massa.
Poi entrano nel Proton Synchrotron Booster che
li inietterà nella catena di acceleratori del CERN,
che li porterà a più alta energia.
Gli esperimenti lungo l'anello