Sviluppi recenti
della fisica sub-nucleare
Si intende fornire una breve quadro
storico, ma aggiornato agli ultimi eventi,
della ricerca dei costituenti subnucleari
della materia.
Carlo Maria Becchi, INFN sezione di
Genova
La fisica nucleare e gli isotopi
La scoperta dell’elettrone
(1897) chiarì che le
cariche nucleari sono
multipli interi (Z) di quella
dell’idrogeno (protone).
La scoperta degli isotopi
(1907) mostrò che anche
le masse sono circa
multipli interi (A) di quella
del protone.
In tabella gli isotopi oggi
noti. Appare chiaramente
il problema nucleare
it.wikipedia.org
Chadwick scopre il neutrone (1932)
Il nucleo dell’isotopo di
massa A e numero Z è
formato da A-Z neutroni e
Z protoni. Questo spiega la
molteplicità.
wikipedia.org
Il problema posto dal modello di Chadwick
I protoni hanno cariche elettriche positive,
opposte a quelle degli elettroni, e quindi si
respingono, i neutroni sono privi di carica
elettrica.
Per formare un nucleo neutroni e protoni devono
attrarsi con forze più intense di quelle
elettrostatiche e con raggio di azione
dell’ordine di quello dei nuclei, cioè di un
milionesimo di milionesimo di millimetro.
Qual’è la natura di queste forze?
Le forze nella teoria Quanto-Relativistica (Dirac)
Le leggi della relatività escludono forze dipendenti dalla sola
distanza tra i corpi in interazione, come prevede la legge di
Newton.
Questo implica che le forze siano portate da Campi che si
propagano come le onde sull’acqua, con velocità limitata da
quella della luce.
La meccanica quantistica impone scambi di energia sotto
forma di quanti che, per la relatività, sono anche dotati di
quantità di moto, sono dunque particelle.
Dirac mostra inoltre che a ogni particella corrisponde un
campo, la relazione particella-campo è duale.
I campi sono proprietà dello spazio che è neutro,
quindi a ogni particella carica ne corrisponde una di
carica opposta, l’antiparticella. Si ha sempre
simmetria delle interazioni per riflessione simultanea
di carica, spazio e tempo (CPT)
Le possibili polarizzazioni del campo equivalgono a
proprietà rotatorie delle particelle (spin). Spin
semintero implica principio di esclusione
I campi possono avere simmetrie tra cui quelle di
“gauge” agiscono indipendentemente in punti
diversi.
Le forze hanno raggio d’azione R=h/(2pmc) dove m
è la massa della particella, c la velocità della luce, h la
costante di Planck (E=hn).
Un’interazione elementare viene dunque
schematizzata come uno scambio di una particella
detta “bosone intermedio”.
Se vi è simmetria di gauge,
come in elettro-dinamica
si ha lo scambio di un
bosone vettoriale
intermedio, il fotone, che
ha spin 1.
Le forze nucleari
- Il primo tentativo di soluzione
venne da Yukawa che nel 1935
sulla base della teoria di Dirac
nel 1928 , ipotizzò l’esistenza di
un bosone scalare intermedio il
mesone p la cui massa rende
conto dei raggi nucleari.
- L’interazione di Yukawa fu detta
“forte” per la sua intensità
milioni di volte quella atomica
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La radioattività beta: una terza interazione subatomica, l’interazione debole
Nel 1896 Becquerel aveva scoperto la
radioattività.
Nel 1934 la radioattività beta fu
interpretata da Fermi, sulla base della
teoria di Dirac, come la trasmutazione
del neutrone in protone, elettrone e
l’ipotetico neutrino, mediata dal
bosone W
carico e
massivo
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Le particelle elementari negli anni trenta
Sei particelle e tre interazioni
In alto in violetto sono i
barioni che col mesone
p hanno interazioni forti
e elettromagnetiche, e
deboli.
Oggi sono detti “adroni”.
In basso in verde sono i
leptoni, e e n
(ipotetico) che hanno
solo interazioni elettromagnetiche mediate dal
fotone (g) e deboli.
Restano fuori schema le particelle
che mediano le interazioni deboli
e gravitazionali.
Le scoperte sperimentali degli anni ‘930-’950
Il quadro dei sei costituenti è “quasi”
confermato
Nel 1932 Anderson conferma
l’esistenza della antimateria
scoprendo il positrone. (foto
a lato).
Nel 1937 scopre una
particella (m) che Yukawa
identifica col mesone p. Ma
nel 1946 Conversi, Pancini e
Piccioni mostrano che il m è
un leptone.
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Altre scoperte
Nel 1947 Powell, (con Occhialini e Lattes) scopre il p
di Yukawa e, nel 1949, alcuni adroni con una nuova
proprietà, detta “stranezza”.
Nel 1956 Cowan e
Reines rivelano gli
anti-neutrini prodotti
dalla radio-attività di
una centrale
nucleare.
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Produzione di
una coppia di
particelle strane
Un p negativo
entra dal basso in
una camera a bolle
a idrogeno e
produce due
coppie di tracce ad
angolo che
originano dal
decadimento di un
K e un L.
L’era degli acceleratori
Le scoperte appena elencate
sono state basate su sorgenti
naturali, raggi cosmici e
radioattività. Fu però subito
evidente la necessità di
sorgenti artificiali come gli
acceleratori.
Il primo di alta energia fu il sincrociclotrone di Chicago
voluto da Fermi (in figura), l’ultimo, l’LHC del CERN
lavora a un’energia disponibile mezzo milione di volte
più grande.
CHUCKMAN'S PHOTOS ON WORD PRESS
Uno sciame artificiale
CERN Document
LHC – La sala di controllo
CERN Document
LHC – L’acceleratore
CERN Document
Un rivelatore (ATLAS)
CERN Document
Un’interazione con Higgs
CERN Document
La scoperta di nuovi adroni
La serie dei nuovi adroni
con diversa carica,
stranezza e spin forma
una tavola periodica
adronica organizzata in
gruppi di 8 e 10.
Gli adroni sono composti.
Ecco come i barioni di un
decupletto sono formati
da tre “quark”, distinti
dalle lettere u, d e s .
Il quark u ha carica 2/3 e d e s hanno carica -1/3,
mentre s porta stranezza negativa (-1).
Per evitare violazioni del principio di esclusione di Pauli,
uno dei cardini della meccanica quantistica, si assume
che ciascuna delle tre particelle possieda uno fra tre
valori diversi di una nuova carica detta “colore.”
E’ necessario un nuovo modello di interazione forte
perché il mesone p è composto.
E’ “naturale” assumere un’interazione con simmetria di
gauge associata alla carica colore si ha così la
Cromodinamica Quantistica, (QCD)
In QCD l’interazione fra i quark è mediata da bosoni
vettoriali, detti “gluoni”, secondo il modello di Yang e
Mills nel (1954) per i bosoni vettoriali interagenti
Così il protone
appare nel nuovo
modello
en.wiki.org
• Nel 1973 , Gross, Politzer e Wilczek mostrano che da
vicini i quark si comportano come particelle libere,
cosa che è stata ampiamente verificata
sperimentalmente.
• Nel 1974 Wilson mostra che a grandi distanze i quark
interagiscono fortemente al punto di essere
“confinati”, insieme ai gluoni, negli adroni.
L’interazione debole alle alte energie
• Il modello proposto da Fermi è stato facilmente
adattato all’ipotesi dei quark e alle scoperte delle
violazioni delle simmetrie di parità e di inversione del
tempo.
• Ma fallisce nelle sue applicazioni alle alte energie e
risulta inconsistente con l’elettrodinamica.
• L’origine di queste difficoltà è dovuta alla massa del
bosone intermedio W, non alla sua carica.
• Infatti il modello di Yang e Mills tratta bosoni vettoriali
in interazione purché privi di massa.
• W e fotone interagiscono, dato che il W è carico.
Quindi il W non dovrebbe avere massa.
Il superamento della difficoltà
Nel 1963 Anderson osserva che in un gas di particelle cariche,
(plasma) i fotoni si comportano come particelle massive.
Nel 1964 Englert e Brout mostrano che fenomeno si
presenta anche in teorie relativistiche.
La stesse idee sono elaborate da altri autori, in particolare
Higgs mostra che nelle teorie più semplici appaiono bosoni
scalari massivi.
Il modello elaborato da Higgs è pressoché integralmente
inserito in quello proposto nel 1967-68 da Glashow, Salam e
Weinberg per le interazioni deboli ed elettromagnetiche.
Il modello elettro-debole: novità e verifiche.
Nel modello le due forze appaiono come differenti aspetti
della stessa interazione, cioè vengono unificate. Il modello
prevede, oltre al fotone, i bosoni intermedi carichi e massivi
W, implicitamente previsti dalla teoria di Fermi, e un altro
bosone intermedio neutro e massivo , lo Z.
L’esistenza dell’interazione mediata dallo Z è confermata al
CERN nel 1974. Quella dei bosoni intermedi è verificata,
sempre al CERN, da Rubbia e van der Meer nel 1983.
Sembra che recentemente si siano viste, sempre al CERN,
indicazioni di una particella interpretabile come uno scalare di
Higgs, ma la conferma di questa interpretazione richiederà
accurate analisi
Le “particelle elementari” oggi.
In tabella sono mostrati i quark
(in violetto) e il gluone (g) che
costituiscono la parte adronica.
I leptoni (in verde), il fotone (g)
e W e Z che hanno solo
interazioni elettro-deboli.
I bosoni intermedi sono in rosso
In fondo si trova il bosone di
Higgs (?)
Commenti e possibili sviluppi
Il modello elettro-debole con la QCD formano il “modello
standard”, che è risultato in ottimo accordo con gli
esperimenti, in particolare quelli a LEP (CERN).
Il sistema dei bosoni vettoriali intermedi (g, g, W, Z)
suggerisce la necessità di un nuovo modello di “grande
unificazione” (GUT) basato su maggior simmetria.
Fra le GUT proposte quelle di maggior successo si basano
sulla “super-simmetria “che implica il raddoppio del numero
delle particelle ma non trova conferme.
La forza di gravità resta esclusa dai modelli basati sulle
particelle, si propone la“teoria della stringa” che però non
ha ancora una formulazione completa
La teoria della stringa
• Gli oggetti elementari non sono
puntiformi, ma anelli e segmenti
curvilinei. Essi hanno quindi
un’infinità di stati possibili di cui le
particelle note, con l’aggiunta del
quanto di energia gravitazionale, il
gravitone, non sarebbero altro che
gli stati con minor massa.
L’interazione elementare della teoria della stringa
viene schematizzata come in figura.
pa.uky.edu
Ancora un commento
Un altro aspetto critico del quadro delle ricerche
attuali sulle particelle costituenti la materia è legato
al fatto che la materia di cui si è trattato è in realtà
una minima parte di quella esistente nell’universo, il
resto, la maggior parte, ha solo il nome di “materia
oscura”, giustificato dal fatto che ha natura ignota e
non è mai stata vista, ne’ isolata.
Tutto ciò suggerisce di evitare eccessivi
entusiasmi da parte della nutrita schiera dei
“divulgatori” della Fisica Sub-nucleare.
