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LE QUATTRO FORZE FONDAMENTALI Alunni: Martina, Paola, Monica, Ahmed Classe 1A Alberghiero – Porto SantElpidio (FM) Tutor: prof. Pierluigi Stroppa La forza.

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2 LE QUATTRO FORZE FONDAMENTALI Alunni: Martina, Paola, Monica, Ahmed Classe 1A Alberghiero – Porto SantElpidio (FM) Tutor: prof. Pierluigi Stroppa La forza nucleare forte

3 Obiettivi di conoscenza e competenza Sapere a che serve lacceleratore di Ginevra Approfondire la conoscenza della forza nucleare forte Sapere che con gli esperimenti si possono creare nuove particelle Sapere la struttura dellatomo e delle particelle che lo costituiscono Conoscere le particelle che costituiscono latomo Conoscere le 4 forze fondamentali Conoscere i diversi tipi di quark che costituiscono i nucleoni

4 Obiettivi di abilità Collegare una forza fondamentale ai fenomeni macroscopici che provoca Costruire un modello per rappresentare linterno dellatomo Evidenziare il legame tra levoluzione delluniverso e la forza nucleare forte Saper organizzare una videopresentazione per un convegno

5 Metodologia Lezioni frontali partecipate con uso di campioni Lavori di gruppo, role playing Invito alla produzione di videopresentazioni Ricerche bibliografiche e navigazione in rete

6 Mezzi e strumenti Libri di testo e riviste scientifiche Personal computer e videoproiettore Laboratorio scientifico Macchina fotografica digitale e videocamera Lavagne dardesia, magnetica e luminosa Minerali, calamite, bussole Modelli e poster

7 LE QUATTRO FORZE FONDAMENTALI Sono la forza forte, quella debole, la elettromagnetica e la forza di gravitazione

8 La forza nucleare forte (FNF) Agisce nel nucleo dell atomo, allinterno dei protoni e dei neutroni Ha la proprietà del confinamento*, cioè nei barioni (protoni e neutroni) sono presenti come triplette È veicolata dai gluoni (dallinglese glue che significa colla) che tengono insieme i Quark dentro i protoni e i neutroni * Dato che sinora gli scienziati non sono riusciti a separare le terne di Quark, hanno coniato per essi la proprietà del confinamento

9 Le particelle fondamentali della materia La materia ordinaria è formata dai leptoni e quark Nella prima famiglia (o generazione) di particelle i leptoni sono il neutrino elettronico e lelettrone Nella prima famiglia di particelle i Quark sono up e down Organizzazione dei Fermioni Nome1 a generazione 2 a generazione 3 a generazione Quark UpCharmTop DownStrangeBottom Leptoni Neutrino elettronico Neutrino muonico Neutrino tauonico ElettroneMuoneTau

10 Secondo il modello standard, tutta la materia ordinaria che osserviamo nel mondo macroscopico è costituita da quark e leptoni. ….. infatti è costituita da atomi che sono a loro volta composti da un nucleo ed uno o più elettroni, che sono i più leggeri tra i leptoni carichi...

11 …… il nucleo è costituito a sua volta da protoni e neutroni che sono composti ciascuno da tre quark. Sopra linterno di un protoneSopra linterno di un neutrone Infine le particelle mediatrici delle forze risultano essere tutte bosoni.

12 La Qcd = Quantum chromo-dynamic La Qcd (dallinglese Quantum chromo-dynamic ) o cromodinamica quantistica, è la teoria che descrive anche il colore dei quark. I quark vanno combinati in modo che il colore complessivo sia nullo… (rosso + verde + blu) ciò significa che devono trovarsi confinati allinterno di particelle bianche. Le particelle mediatrici dei quark, i gluoni, risentono dei colori dei quark… questa interazione si chiama forza di colore e la teoria che la descrive è la Qcd

13 Curiosità: il Quarkoscopio Il quarkoscopio è uno strumento fabbricato dall AMA (associazione marchigiana astrofili di Ancona). Con esso si possono vedere i quark che sono nei protoni e nei neutroni. A lato il quarkscopio indica la struttura del protone

14 I quark up e down Le tre famiglie di quark prevedono ciascuna un quark di carica +2/3 ed uno di carica -1/3. I quark più leggeri sono up (u) e down (d), che combinati secondo lo schema uud formano il protone (di carica +2/3 +2/3 -1/3 = 1), mentre combinati secondo lo schema udd formano il neutrone (di carica +2/3 -1/3 -1/3 = 0).

15 Com è fatto un protone? Il protone è formato da tre quark: uno di colore rosso (chiamato up); uno di colore blu (chiamato up); uno di colore verde (chiamato down). Questi ultimi possiedono rispettivamente, carica elettrica +2/3 e -1/3. La carica elettrica +1 del protone si ottiene, quindi, combinando due quark up e un quark down: Carica +2/3 +2/3 -1/3 = +1

16 Com è fatto un neutrone? Il neutrone, invece, è privo di carica elettrica; Esso infatti è formato da due quark down e uno up (-1/3 -1/3 +2/3 = 0).

17 Le particelle della seconda e terza famiglia Queste particelle esistevano subito dopo il Big Bang. Ora si trovano solo nei raggi cosmici e vengono prodotte negli acceleratori di particelle. Organizzazione dei Fermioni Nome2 a generazione3 a generazione Quark CharmTop StrangeBottom Leptoni Neutrino muonico Neutrino tauonico MuoneTau

18 Un esperimento particolare: il QGP Il QGP (Quark Gluon Plasma) Il QGP è lo stato della materia che esisteva probabilmente poco dopo il big bang e poco prima la formazione dei protoni e dei neutroni (vedi immagine a lato, da Zullini & Scaioni) QGP

19 OTTENERE Il QGP (Quark Gluon Plasma) Per ottenere il QGP si dovranno scegliere come proiettili degli ioni (nuclei privi di elettroni) pesanti, cioè contenenti molti protoni e neutroni (e dunque molti quark e gluoni). Ad esempio il Piombo che ha 82 protoni e 126 neutroni. Gli ioni vengono accelerati a velocità relativistiche e poi fatti collidere. Si può così creare una zona calda e densa nella quale vengono riprodotti i valori di temperatura necessari per formare il QGP.

20 OTTENERE Il QGP (Quark Gluon Plasma) Si dovrà raggiungere la temperatura di duemila miliardi di gradi ( volte la temperatura all interno del sole!). In ALICE si studieranno le collisioni tra due fasci di ioni di Piombo, accelerati dal collider LHC in direzioni opposte, e poi fatti collidere frontalmente.

21 Problemi tecnici *Uninterazione PbPb allenergia di LHC produrrà migliaia di particelle *Notevoli difficoltà tecniche per progetto/realizzazione dei rivelatori che dovranno identificare e realizzare tali particelle

22 Problemi concettuali * Il QGP ha una vita effimera; durante questa breve vita si verificano dei processi di espansione e raffreddamento che provocano una transizione verso particelle ordinarie (non colorate). Queste, dopo una fase relativamente più lunga di interazioni reciproche, volano verso i rivelatori. * Sono queste le particelle che vediamo nei nostri rivelatori e NON i quark e i gluoni del Quark-Gluon Plasma. Occorre pertanto identificare dei segnali univoci dellavvenuta formazione (per brevissimi istanti) del QGP.

23 BIBLIOGRAFIA Nicola Dallaporta (1986), sguardo sullattuale cosmologia ed. Borla Franc Wilczek (2010), la leggerezza dellessere. La massa, letere e lunificazione delle forze ed. Mondadori Ippolita Martellotta & Rosa Anna Rizzo (2009): English for Science, facing the future lingue Zanichelli Aldo Conti & Lino Miramonti una particella molto sfuggente, in quark album cacciatori di neutrini. A cura dellINFN Antonio Masiero & Massimo Pietroni Il lato oscuro dellUniverso in La materia oscura collana asimmetrie anno 2 n°4-giugno A cura dellINFN Angela Bracco Al cuore della materia in Nuclei e stelle collana asimmetrie anno 4 n°9- settembre A cura dellINFN Alberto Del Guerra Antimateria al lavoro per la salute in antimateria collana asimmetrie anno 3 n°7-ottobre A cura dellINFN Nicola Cabibbo Le interazioni deboli in la lunga caccia al neutrino collana asimmetrie anno 2 n°3 - dicembre A cura dellINFN A.Zullini e U.Scaioni scienze della terra, edizioni ATLAS Poster INFN , 50 anni di ricerca italiana alla frontiera della scienza e della tecnologia Autori vari fisica, gli scienziati delle forze fondamentali e il loro istituto Stephen Hawking, 1988, A brief history of time, from the Big Bang to Black Holes F.Bagatti & alii (2.000) elementi di chimica, sezione C: dalla struttura dellatomo ai legami chimici. Luca Novelli (2007), Einstein e le macchine del tempo, in lampi di genio, ed. scienza.

24 SITOGRAFIA


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