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1 La storia della fisica delle particelle M. Cobal, Dipartimento di Fisica Universita di Udine.

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2 1 La storia della fisica delle particelle M. Cobal, Dipartimento di Fisica Universita di Udine

3 Introduzione Come funziona lUniverso? Da dove viene? Dove va? Quali sono i componenti ultimi della materia? Come si muovono? Che cosa li muove? La Fisica delle particelle affronta le domande fondamentali della storia del pensiero:

4 Introduzione La Fisica delle Particelle non e solo una classificazione zoologica delle particelle esistenti in Natura, bensi aspira a comprendere il motivo della loro esistenza e le regole che le governano Molti altri rami della Fisica sono quindi riconducibili ad essa: – La comprensione del Big Bang passa attraverso la comprensione della gravita quantistica ossia la spiegazione del comportamento della Natura quando i campi gravitazionali hanno intensita confrontabili alle forze nucleari – La comprensione della struttura a larga scala dellUniverso (Inflazione, Costante Cosmologica) andra ricercata nella teoria finale unificata e nello spettro di particelle che la compongono

5 Dimensioni (cm) ~ (cm) Cosmologia Astronomia Astrofisica Geofisica Biologia, fisica dei fluidi, Solidi, gas Antropologia, Psicologia Chimica Fisica molecolare e atomica Fisica nucleare Fisica delle particelle elementari Un confronto dimensionale

6 Di cosa e fatto il mondo? L'uomo è giunto a capire che la materia è in realtà un agglomerato di pochi elementi fondamentali, che costituiscono tutto il mondo della natura. La parola "fondamentale" è una parola chiave: Per elementi fondamentali intendiamo oggetti che sono semplici e privi di struttura interna (cioe non composti da qualcosa di più piccolo) Domande: –Esistono mattoni fondamentali? –Quali sono I mattoni fondamentali? –Come interagiscono? –Come determinano le proprieta dellUniverso?

7 La Rivoluzione Greca Circa 2500 anni fa i filosofi greci cominciarono a chiedersi: di cosa e fatto il mondo? e a cercare riposte usando la logica anziche la religione 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

8 Alchimia Chimica ( ) – Classificazione degli atomi in base alle proprieta chimiche – Evidenza di una periodicita (Mendeleyev) Indicazioni di una struttura comune degli elementi La Tavola Periodica Latomo e fondamentale?

9 ESPERIMENTO Latomo e fondamentale? Ricorriamo allesperimento : si guarda dentro l'atomo, usando particelle come sonde L'atomo ha una struttura interna, e non e una semplice pallina permeabile DOMANDE TEORIA ?

10 Stato della Fisica intorno al 1895 Meccanica Statistica (c 1860) 3 leggi della termodinamica Teoria Cinetica Elettricita e Magnetismo Equazioni di Maxwell (c1880) Legge di Gauss Legge di Faraday Legge di Ampere No monopoli magnetici Meccanica (Gravita) Leggi di Newton (c 1640) 1.Legge di Inerzia 2.F=m a 3.Reazioni uguali ed opposte Leggi di Conservazione Energia Impulso Momento Angolare

11 Stato della Fisica intorno al 1895 Lord Kelvin unautorita del suo tempo Si oppone fortemente alla teoria atomica There is nothing new to be discovered in physics now. All that remains is more and more precise measurement." Albert A Michelson il primo premio Nobel americano The grand underlying principles have been firmly established...further truths of physics are to be looked for in the sixth place of decimals" (Science, 1892)

12 1873 Teoria elettromagnetica di Maxwell 1874 George Stoney sviluppa la teoria dell elettrone e ne ipotizza la massa Röntgen scopre I raggi X 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 dualita onda-particella, la relativita speciale 1911 Rutherford capisce che latomo ha un nucleo interno 1913 Bohr costrusce una teoria atomica basata sulla quantistica Rutherford fornisce la prima evidenza dellesistenza del protone I 30 anni che sconvolsero la fisica!

13 Rutherford (~1910) – classico esperimento bombardamento di particelle su bersaglio (foglio doro) Esperimento di Geiger & Marsden ! Come si guarda dentro la materia?

14 Conclusione Latomo contiene un nucleo di carica positiva di dimensione <10 fm [1 fm = cm] 0.000,000,000,000,1 cm Angle Modello atomico di Rutherford Nuovo Modello atomico

15 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 da una interpretazione probabilistica della quanto-meccanica 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 Dirac combina la meccanica quantistica e la relativita speciale per descrivere l elettrone. Cosa succede negli anni 20?

16 1930 Pauli parla del neutrino per spiegare lo spettro dell e nel decadimento 1931 Dirac capisce che le particelle a carica positiva richieste dalla sua equazione sono oggetti nuovi (positroni). Si parla di anti-materia! Chadwick scopre il neutrone. Si indaga su legami nucleari e decadimenti Anderson scopre il positrone. Fermi elabora una teoria per il decadimento : introduce la forza debole. Yukawa descrive le interazioni nucleari come lo scambio di nuove particelle (I pioni) tra protoni e neutroni interactions by an exchange of new particles (mesons called "pions"). Questa teoria adesso e sorpassata 1937 Studiando I raggi cosmici, viene scoperta una particella di massa 200 volte la massa delle. Allinizio si pensa che sia la particella di Yukawa. Si capisce poi che invece e il muone Stuckelberg osserva che protone e neutrone non decadono in elettroni, neutrini o muoni. La stabilita del protone non si puo spiegare in termini di conservazione dellenergia e della carica. Cosa succede negli anni 30?

17 Il nucleo e fondamentale? Il nucleo e composto di protoni(carica elettrica positiva) e di neutroni (privi di carica elettrica) Anche i protoni e i neutroni hanno una struttura: sono composti da particelle fondamentali chiamate quark. Ma per vedere questo ci vorra ancora un po di tempo…

18 Una sorgente naturale di particelle I fisici delle particelle scoprirono ben presto che in natura vi era una copiosa sorgente di particelle di alta energia: i raggi cosmici Soprattutto Muoni Collisione con le molecole daria Protoni dallo spazio I raggi cosmici sono particelle cariche di alta energia, soprattutto protoni, che provengono dallo spazio e arrivano fino alla superficie atmosferica della terra. Collisioni fra raggi cosmici e molecole di aria avvengono continuamente…

19 1941 Moller e Pais introducono il termine "nucleone" come termine generico per protoni e neutroni Si capisce che la particella trovata nei raggi cosmici e creduta il mesone di Yukawa e in realta un "muone, la prima particella della seconda generazione delle particelle fondamentali che costituiscono la materia. Il commento di Rabi: "who ordered that?" Si introduce il termine leptone per indicare oggetti che non interagiscono in modo forte (elettroni e muoni sono leptoni) 1947 Si trova un mesone coinvolto in interazioni forti nei raggi cosmici: e il pione. Si sviluppano delle procedure per calcolare le proprieta elettromagnetiche di elettroni, positroni e fotoni. Introduzione dei diagrami di Feynman Il Sincro-ciclotrone di Berkeley produce il primo pione 1949 Fermi e Yang suggeriscono che il pione sia composto da un nucleone ed un anti-nucleone. Viene scoperta la K +. Cosa succede negli anni 40?

20 L esplosione delle particelle Lo studio delle interazioni dei raggi cosmici porto alla scoperta di un grande numero di nuove particelle: Il positrone (e + ) il muone (m) Pioni, kaoni, iperoni Nello stesso tempo Ernest Lawrence imparava a costruire acceleratori di particelle in laboratorio… Ottenendo intensita molto piu grandi che nei raggi cosmici!

21 1950 Viene scoperto il pione neutro ( 0 ) Si scoprono le particelle strane 0 e K Viene scoperta la particella Delta: ne esistono 4 tipi diversi ( ++, +, 0, and - ). Glaser inventa la camera a bolle (ispirato dalla birra..) Il cosmotrone di Brookhaven, a 1.3 GeV, comincia a funzionare Comincia lera della esplosione delle particelle Sparando elettroni contro nuclei, si vede una distribuzione di densita di carica nel protone e nel neutrone. Questo suggerisce la presenza di una qualche struttura interna, 1954 Yang e Mills sviluppano una nuova classe di teorie chiamate teorie di gauge. Questo tipo di teorie sono alla base del Modello Standard Chamberlain e Segre scoprono lanti-protone Schwinger propone lunificazione della forza debole ed elettromagnetica Schwinger, Bludman, e Glashow, suggeriscono che tutte le interazioni sono mediate da bosoni carichi pesanti. Yukawa fu il primo – 20 anni prima – a parlare di scambio di bosoni, ma propose il pione come mediatore della forza debole.. Cosa succede negli anni 50?

22 Dove lordine? K-K- K0K0 K+K+ e p n e Con i nuovi acceleratori di particelle e nuovi rivelatori (camera a bolle)a disposizione i fisici delle particelle negli anni 1950s si divertirono un mondo…

23 Particelle ed Antiparticelle Particelle protone p neutrone n elettrone e - neutrino elettronico e muone negativo - neutrino muonico pione negativo - pione neutro 0 fotone Antiparticelle antiprotone antineutrone positrone e + antineutrino elettronico muone positivo + antineutrino muonico pione positivo + pione neutro 0 fotone Plate of steel B positron Stessa massa, e vita media,carica e momento magnetico opposti Massa Carica Vita media Spin

24 E molte piu…. All inizio erano poche…

25 Servono energie sempre maggiori… Per testare le nuove teorie i fisici delle particelle hanno bisogno di alte energie COLLISIONI FRA FASCI DI PARTICELLE! TARGHETTA FISSA Energia a disposizione per produrre nuove particelle:~ E beam COLLISIONI FASCIO-FASCIO Energia a disposizione per produrre nuove particelle ~E beam

26 Un moderno accelleratore In queste macchine, fasci di particelle sono accellerati quasi alla velocita della luce e fatti collidere in punti scelti della loro orbita

27 Accelleratori 1983: CERN pp collider E = 540 GeV W +- (80 GeV), Z 0 (91 GeV) 1995: Fermilab Tevatron pp collider E=1.8 TeV top quark (175 GeV) ¼ 2008: CERN LHC pp collider E=14 TeV discover Higgs? ????: Linear e + e - Collider E=1-2 TeV study Higgs in detail

28 1961 Il numero delle particelle aumenta! Uno schema matematico di classificazione (il gruppo SU(3)) guida i fisici a riconoscere percorsi in particelle diverse Si verifica sperimentalmente che ci sono due diversi tipi di neutrino (elettronico e muonico), come predetto teoricamente (Lederman, Schwartz, Steinberger) Gell-Mann e Zweig introducono lidea dei quark. Glashow e Bjorken inventano il termine "charm" per il quarto (c) quark. Osservazione della violazione di CP nel decadimento dei Kaoni (Cronin e Fitch) 1965 Greenberg, Han, e Nambu introducono la proprieta carica di colore dei quark Weinberg e Salam separatamente propongono una teoria che unifica le interazioni elettromagnetiche e deboli nelle interazioni elettrodeboli. La loro teoria richiede lesistenza di un bosone neutro che interagisce debolmente: lo Z Bjorken e Feynman analizzano i dati di scattering di elettroni usando un modello che prevede componenti per il protone. Usano la parola partone invece di quark. Cosa succede negli anni 60?

29 The 8-fold way K0K0 - K+K+ + 0 K-K- K0K0 sd ud su du ds us uu,dd,ss uss uus dss dds udd uud uds - ddd ++ uuu - sss n p mesoni qq barioni qqq Nel 1961 Gell-Mann & Neeman ebbero per la fisica delle particelle lo stesso ruolo di Mendeleev 100 anni prima con gli atomi fondamentali

30 Quarks Si capisce che anche protoni e neutroni non sono unita fondamentali Sono composti da particelle piu piccole dette quarks Per il momento questi quarks sembrano essere puntiformi Negli anni 1960 > 50 particelle elementari Tavola periodica! Si introducono 3 quark per spiegare la periodicita Ma i quark non erano considerati particelle reali!!

31 L atomo moderno Una nuvola di elettroni in moto costante intorno al nucleo Protoni e neutroni in moto nel nucleo Quarks in moto nei protoni e nei neutroni

32 Dimensioni (sub)-atomiche Il nucleo e 10,000 volte piu piccolo dellatomo Il protone ed il neutrone sono 10 volte piu piccoli del nucleo Non ci sono evidenze che i quarks abbiano dimensione

33 Ordine Costituenti fondamentali Proprio come lordine della tavola periodica era dovuto ai tre componenti fondamentali, cosi Gell-Mann e Zweig proposero che tutti gli adroni fossero costituiti da tre oggetti che vennero chiamati quarks I quark hanno cariche elettriche pari a 2/3, -1/3. -1/3 della carica dellelettrone puud nudd + ud 0 uu - du uuu uud udd ddd sss K + us K 0 ds K - su K 0 sd

34 1970 Glashow, Iliopoulos, e Maiani (GIM) capiscono l importanza di un quarto tipo di quark nel contesto del Modello Standard Prime indicazioni dell esistenza di correnti deboli neutre (per scambio di Z 0 ) Viene formulata una teoria quantistica di campo per le interazioni forti (QCD) Politzer, Gross, e Wilczek scoprono che la teoria di colore delle interazioni forti ha una proprieta speciale, detta liberta asintotica Richter e Ting, leading independent experiments, announce on the same day that they discovered the same new particle J/Y, bound state of charm anti- charm) Goldhaber e Pierre trovano il mesone D 0 (quark anti-up e charm). Il leptone tau viene scoperto da Perl e collaboratori a SLAC Lederman ed i suoi collaboratori scoprono il quark-b a Fermilab Prescott e Taylor osservano interazioni deboli mediate dallo Z 0 nello scattering di elettroni polarizzati da deuterio: il principio di conservazione della parita viene violato, come predetto dal Modello Standard Vengono identificato gluoni irraggiati da quark o antiquark allo stato iniziale Cosa succede negli anni 70?

35 Una nuova teoria I fisici hanno elaborato una teoria, chiamata Modello Standard che vuole descrivere: tutta la materia tutte le forze dell'universo (escludendo per ora la gravità) La sua bellezza sta nella capacità di spiegare centinaia di particelle e interazioni complesse con poche particelle e interazioni fondamentali

36 Il Modello Standard Nel Modello Standard esistono due generi di particelle: Particelle materiali: il Modello Standard sostiene che la maggior parte delle particelle materiali finora conosciute è composta di particelle più fondamentali (quark). C'è anche un'altra classe di particelle materiali fondamentali, i leptoni (un esempio è l'elettrone). Particelle mediatrici di forza: Ogni tipo di interazione fondamentale agisce "mediante" una particella mediatrice di forza (un esempio è il fotone).

37 Fermioni: i componenti fondamentali Quarks Leptoni 2/3 - 1/3 0 1 a generazione2 a generazione Le particelle elementari: i fermioni 3 a generazione 2/3 - 1/3 0 Perche 3 famiglie? Ve ne sono di piu? Massa (MeV) Carica (e)

38 Unita usate nella fisica delle pa rticelle Energia: electron-volt: 1 eV = 1.6 x J Energia che lelettrone guadagna attraversando una ddp di 1 Volt E = mc 2, si pone c=1! Unita naturali Massa: electron-volt proton mass m p = MeV Momento: electron-volt

39 I leptoni I leptoni sono sei: tre hanno carica elettrica (negativa) tre non hanno carica elettrica Il leptone carico più conosciuto è l'elettrone (e). Gli altri due leptoni carichi sono il muone (µ) e il tau ( ) Muone e tau sono repliche dellelettrone con massa piu grande I leptoni neutri si chiamano neutrini: ce un neutrino corrispondente a ogni leptone carico hanno massa molto piccola (ma non nulla)

40 I quarks Ci sono 5 ordini di grandezza fra la massa del quark piu leggero (up) e quello piu pesante(top)! La miglior misura della massa oggi: M(top)=178 GeV con un errore di 4.3

41 Adroni I singoli quarks: hanno cariche elettriche frazionarie non sono mai stati osservati direttamente Si riuniscono in gruppi in particelle dette adroni: Le combinazioni dei quark possibili sono tali che la somma totale delle cariche elettriche sia un numero intero: due (qq=mesoni) o tre (qqq=barioni) Ma ce molto di piu…per capirlo bisogna introdurre le interazioni fra i quark

42 Le forze L'universo che conosciamo esiste perché le particelle fondamentali interagiscono: decadono si annichilano reagiscono a forze legate alla presenza di altre particelle (per esempio nelle collisioni). Ci sono quattro interazioni(forze) tra le particelle: Gravita ElettroMagnetica Forte Debole

43 Come interagiscono le particelle? Le particelle si attraggono o si respingono mediante particelle messaggeri (quanti del campo) Quelle che noi chiamiamo comunemente "forze" sono gli effetti dei mediatori di forza sulle particelle materiali. e e Diagramma di Feynman e e

44 Che cosa tiene il mondo insieme? Forze Agiscono tra Forza relativa quanto Forte quarks 10 g elettro- magnetica Particelle cariche debole Tutte le particelle W +- Z 0 Gravita Tutte le particelle G spin = 1 (bosoni))

45 Gravita La forza gravitazionale è probabilmente la forza che ci è più familiare: non è compresa nel Modello Standard perché i suoi effetti sono piccolissimi nei processi tra le particelle Anche se la gravità agisce su ogni cosa,è una forza molto debole qualora le masse in gioco siano piccole La particella mediatrice di forza per la gravità si chiama gravitone: la sua esistenza e prevista ma non e ancora stata osservata

46 Elettromagnetica Molte delle forze che sperimentiamo ogni giorno sono dovute alle interazioni elettromagnetiche nella materia: tengono assieme gli atomi e i materiali solidi la carica elettrica (positiva/negativa) e il magnetismo (nord/sud) sono diverse facce di una stessa interazione, l'elettromagnetismo. cariche opposte, per esempio un protone e un elettrone, si attirano, mentre particelle con la stessa carica si respingono. La particella mediatrice dell'interazione elettromagnetica si chiama fotone. –In base alla loro energia, i fotoni sono distinti come: raggi gamma, luce (visibile), microonde, onde radio, etc.

47 Interazione Forte Alcune particelle (i quark e i gluoni) hanno una carica di un nuovo tipo: è stata chiamata carica di colore. Ogni quark puo avere uno dei tre colori: rosso, blu o verde Tra particelle dotate di carica di colore l'interazione è molto forte, tanto da meritarsi il nome di interazione forte. La sua particella mediatrice è stata chiamata gluone: perche incolla i quark fra di loro Perche la repulsione elettromagnetica fra i protoni del nucleo non fa esplodere latomo?

48 Il Modello a quark 1964 Gell-Mann, Zweig Ci sono 3 quarks e 3 antiquarks Ogni quark puo portare uno di 3 colori Gli anti-quark portano un anti-colore QuarkUpDownStrange Charge+2/3-1/3

49 Il confinamento dei quark Le particelle con carica di colore (come I quark) non si possono trovare isolate ma solo in gruppi di colore neutro (adroni) Questo spiega perche sono possibili solo combinazioni di due (mesoni) o tre (barioni) quark: sono le uniche neutre di colore. La carica di colore si conserva sempre. quando un quark emette o assorbe un gluone, il colore del quark deve cambiare, per conservare la carica di colore Per esempio, consideriamo un quark rosso che diventa un quark blu ed emette un gluone rosso/anti-blu: il colore "netto" è sempre rosso. Il blu e lanti-blu si annullano rimane il rosso

50 Mai quark liberi!!! La forza di colore diminuisce a piccole distanze e cresce al crescere delle distanze Cosa succede se si cerca di spezzare un adrone? Se uno dei quark di un adrone viene allontanato dai suoi compagni, il campo di forza di colore "si allunga" per mantenere il legame. In questa maniera cresce l'energia del campo di forza di colore, e cresce quanto più vengono allontanati i quark tra loro. Energia del campo di colore cresce… E=mc 2 sufficiente per creare unaltra coppia quark-antiquark

51 Dove sono i quarks? Questa descrizione e molto interessante, ma i quark per ora sono entita matematiche … Lesperimento confermera la loro esistenza!!! Proviamo a ripetere lesperimento di Rutherford ad energie MOLTO piu alte… Protons electrons Si dimostra che il protone e costituito da altri oggetti piu fondamentali!

52 Negli anni 70, nelle collisioni elettrone-positrone ad alta energia, si osservano dei getti di energia, associabili alla presenza di gluoni dovuti alla forza nucleare forte che si origina dalle interazioni tra quark. E la manifestazione piu spettacolare del confinamento I gluoni e i quark si materializzano in getti(ing: jet) di particelle Come si vedono i quark

53 Interazione Debole Linterazione debole e responsabile del fatto che tutti i quark o leptoni decadono in particelle di massa minore I mediatori dellinterazione debole sono le particelle: W +, W - e Z 0 Elettromagnetica Electrodebole udud cscs tbtb Quarks Leptons e e - W W W W W W Elettrica Magnetica Debole Forte Nel Modello Standard linterazione Debole e unificata con quella Elettromagnetica: a piccole distanze stessa intensita Cambiamenti di tipo (detto sapore) governati dallinterazione debole

54 Test della Teoria ElettroDebole Con lintroduzione della teoria elettrodebole furono necessarie tre nuove particelle: i mediatori dellinterazione W +, W - and Z 0. Le loro masse erano previste dalla teoria stessa: M W c 2 80 GeV M Z c 2 90 GeV La W e la Z hanno una vita media brevissima, ma possono essere identificate tramite i loro prodotti di decadimento, anche essi predetti dalla teoria elettrodebole: W e ud cs tb(?) Z e + e - qq Circa la massa del Bromo (z=35) o dello Zirconio (z=40)!!! …Pesantucce per essere elementari… Scoperte nel 1983!..e con la corretta massa

55 1983 Scoperta del W ± e dello Z 0 al sincrotrone del CERN synchrotron usando la tecnica sviluppata da Rubbia e Van der Meer per far collidere protoni ed antiprotoni Gli esperimenti portati avanti a SLAC e al CERN suggeriscono fortemente che vi siano 3 e solo 3 generazioni di particelle fondamentali 1995 A Fermilab lesperimento CDF vede per la prima volta il quark top Lesperimento SuperK identifica oscillazioni di neutrino (I neutrini hanno massa!) Viene osservata la violazione di CP usando B-mesons dagli esperimenti BABAR, BELLE 2002 Risolto il problema dei neutrini Solari. Storia anni 80 –

56 W boson, UA1 detector in 1982

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58 Le generazioni della materia Quarks e leptoni organizzati in tre famiglie: tutta la materia visibile nelluniverso e costituita dalla prima generazione. Le particelle della 2a e 3a generazione sono instabili e decadono in particelle della 1a Ci sono altre generazioni? Non si sa il perche di queste repliche…sorprese sono ancora possibili… Sperimentalmente pare di no

59 Introducendo i quarks.. La mia tesi di Dottorato!! Supervisori: H. Grassmann, G. Bellettini

60 Il Bosone di Higgs Il Modello Standard richiede lesistenza di una ulteriore particella Bosone di Higgs Senza carica Massa sconosciuta (>115 GeV) spin = 0 E richiesto per poter assegnare le masse (nella teoria) a bosoni e fermioni

61 Il MS e la teoria del tutto? NO Il Modello Standard non funziona a tutte le energie Il Modello Standard non include la gravita L Higgs non e ancora stato scoperto Unificazione Electricity Magnetism Weak force Strong force Gravity string theory... electromagnetism electroweak force GUTs

62 Altri problemi aperti… Alcuni buoni motivi per credere che il Modello Standard sia una (buona) approssimazione di qualcosa di piu complesso: non spiega la gerarchia delle masse non spiega la dominanza di materia nel nostro Universo non suggerisce una soluzione al problema della Materia Oscura nellUniverso perche 3 famiglie ? troppi parametri.... Varie teorie cercano di superare questi problemi: GUT, SUSY, Technicolor, Compositeness, Superstringhe. Purtroppo nessuna di queste ha una qualche conferma sperimentale…

63 I quarks sono veramente indivisibili?

64 There is no logical path leading to these elementary laws, only an intuitive one, based on creativity and experience The most important task for scientists is to search for the most fundamental laws, from which a picture of the world can be deduced.

65 Tra le 100 persone che hanno influenzato il mondo…. 17 Fisici 7 Fisici nell Era Moderna Albert Einstein Guglielmo Marconi Wernier Heisenburg Ernest Rutherford Max Planck William Conrad Rontgen Enrico Fermi Senza includere altri come Bohr, Boltzmann, Dirac, Feynman, Michelson, Schrodinger! La fisica delle particelle ha dato 40 dei ~90 Premi Nobel dal 1901 ad oggi.

66 Se si hanno fortuna e tenacia…

67 La ricerca del quark Top Dopo la scoperta del quark bottom (Fermilab 1977) il Modello Standard prevedeva un ultimo quark top per completare la coppia della terza generazione Il Modello Standard inoltre e in grado di predire esattamente il decadimento del quark top: q, e, q e,,, Ma non e in grado di predirne la massa…. la massa….

68 Produzione di Top a Batavia, IL Il Tevatron di Fermilab e lacceleratore di piu alta energia oggi esistente. Protoni e antiprotoni si scontrano con una energia di 1.8 TeV ( electron volts)

69 Collider Detector at Fermilab

70 muon chambers steel HAD calorimeter EM calorimeter solenoid jet muons e electrons & photons quarks & gluons neutrinos K, etc. tracking volume I diversi tipi di particelle rilasciano tipi diversi di segnature nei nostri rivelatori

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72 Vari milioni di collisioni per secondo ~ 100 per secondo scritte su nastro

73 Analisi dei dati…

74 Simulazione di cio che ci si aspetta

75 Trovato! Nel 1994, dopo 17 anni di ricerche a vari acceleratori e circa 10 anni allo stesso Tevatron, sono statei trovati 12 eventi che sembravano provenire dalla produzione di una coppia top-antitop Ora ce ne sono piu di 100… Perche e stato cosi difficile? Perche M TOP c 2 = - E solo 1 in collisioni puo produrre una coppia top-antitop

76 BACKUP

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79 Stato attuale della Fisica nel 2005 Meccanica statistica Fermioni e Bosoni Stati condensati Bose-Einstein Superconduttivita Evoluzione Stellare Elettricita e Magnetismo Equazioni di Maxwell (c1880) Forza nucleare debole Radioattivita Forza Forte Nucleare Composizione Particelle Nucleari Meccanica (Gravita) Teoria Generale Relativita Il Modello Standard Unifica Elettricita e Magnetismo Forza Forte Nucleare Forza Debole Nucleare Leggi di Conservazione Energia Impulso e momento angolare Spin Numero Barionico e Leptonico Quanto Meccanica Esistenza degli atomi Particelle subatomiche Approccio probabilistico

80 Negli anni 90, i dati raccolti al LEP studiando il decadimento del bosone Z, ci permettono di determinare con grande precisione il numero di neutrini (e quindi il numero di generazioni) e di escludere con certezza la presenza di neutrini anomali. Una ulteriore conferma del Modello Standard Il precedente limite era basato su considerazioni cosmologiche Verifica del Modello Standard La curva corrispondente ad un numero di generazioni pari a tre descrive meglio la curva!

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82 Antimateria Per ogni particella (materia) c'è la corrispondente antiparticella (antimateria). Un'antiparticella è identica alla sua particella sotto ogni aspetto, tranne che per la carica, che è opposta. Per esempio: il protone ha carica elettrica positiva, e l'antiprotone ha carica elettrica negativa; ma hanno la stessa identica massa, perciò sono soggetti alla gravità nella stessa identica maniera. Quando una particella e la sua antiparticella si incontrano, si annichilano in energia pura. Questa energia può dar vita a particelle, prive di carica, mediatrici di forza, come fotoni, bosoni Z, o gluoni.

83 L antico atomismo Democrito argui su basi logiche che devono esistere qualcosa di invariato nell Universo (c.f. leggi di conservazione nella fisica moderna?). Stabili poi che questi assoluti sono le piu piccole componenti dei corpi visibili. Immagino la natura come un moto incessante di piccole particelle di materia, indivisibili ed eterne che chiamo atomi ( ατομον = indivisibile in Greco) (c.f. si pensi alla moderna teoria cinetica dei gas..).I cambiamenti che si osservano nell Universo richiedono lesistenza del vuoto (gaps tra gli atomi) Per convenzione parliamo di colore, di dolce, di amaro, ma in realta ci sono atomi e spazio. Aristotele rispose che questi ipotetici atomi sarebbero dovuti casere a terram proprio come una pietra una volta sospesa e poi lasciata.

84 Limits of pre-Modern Physics DimensionRange of ApplicabilityRange of Application Length10 -6 to mSmoke particle (Brownian Motion) to the solar system Mass10 -9 to kgDust particles to solar mass Time to sec to sec Microwave to UV light Smallest timing increments (msec) to celestial motions (centuries) Velocity10 -6 to m/sSmall particles to celestial motion

85 Il moderno atomismo Teoria atomica della materia: Dalton (1808) Moto Browniano: Einstein (1905); determinazione del numero di Avogadro. Piu avanti: scoperta che latomo non e il costituente fondamentale Scoperta dellelettrone: Thompson (1897) Scoperta del nucleo atomico: Rutherford (1911) Modello di Bohr dellatomo (1913) Scoperta del neutrone (1932)

86 Il Modello a quark Solo combinazioni prive di colore (bianche) di quarks e anti-quarks possono formare particelle (Adroni). qqq (barioni) qq (mesoni) Non ne sono state osservate altre. Pentaquarks???

87 Un altro evento con jets Gli stessi getti si osservano in eventi provenienti da collisioni protone- antiprotone

88 Limiti attuali della Fisica Moderna DimensioniIntervallo di valoriIntervallo di applicazione Lunghezza mDimensioni quark-dimensioni Universo Massa kgElettroni – Raggruppamenti di galassie Tempo sec sec Onde radio – Raggi Spettroscopia

89 Le origini Nell'antichità l'uomo pensava che ogni cosa nel mondo fosse un composto dei quattro elementi:

90 L atomismo Democrito ( B.C.) Filosofo greco: propose una teoria meccanicista del mondo che non richiedeva forze sovrannaturali, ma solo il moto costante degli atomi (indistruttibili) dei quali e composta la materia Democrito stabilisce che la nostra percezione delle cose e una sorgente di conoscenza fallace (esempio: gli atomi sono troppo piccoli per essere osservati). La conoscenza si ottiene dal ragionamento.

91 Inconsistenze nella Fisica del 2005 GUTs and TOEs Combinazione di Standard Model & Gravita Teoria delle Stringhe Leggi di conservazione Energoa Impulso e Momento Angolare Carica Spin, Numero Leptonico e Barionico Meccanica Quantistica Esistenza atomi Particelle subatomiche Approccio probabilistico Entwined States Fisica alle dimensioni sub-Planck Evoluzione Stellare SM per Buchi Neri Fermioni pesanti ed HTSC Sistemi Caotici e complessi

92 Inconsistencies in Physics cira 1900 Photoelectric Effect Diffraction of x rays Discrete Atomic Spectra Radioactive decay Blackbody radiation Weins Law Existence of atoms Brownian motion


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