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Modello Standard … e oltre Danilo Babusci INFN - Laboratori Nazionali di Frascati.

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Presentazione sul tema: "Modello Standard … e oltre Danilo Babusci INFN - Laboratori Nazionali di Frascati."— Transcript della presentazione:

1 Modello Standard … e oltre Danilo Babusci INFN - Laboratori Nazionali di Frascati

2 Fisica delle Particelle Elementari Fisica delle Particelle Elementari (FdP) Si interessa del comportamento fisico dei costituenti fondamentali del mondo, ovvero di oggetti al contempo molto piccoli e molto veloci è larena naturale per lesibizione simultanea della Meccanica Quantistica e della Relatività Speciale piccole dimensioni alte velocità

3 Meccanica Quantistica (in breve) Elementi essenziali della descrizione del mondo microscopico (diversi da quelli del mondo macro) leggi naturali sono di natura probabilistica posso conoscere soltanto la probabilità di un evento: è (in linea di principio) impossibile prevedere quando decadrà un atomo eccitato dualità onda-particella onde e particelle appaiono come aspetti differenti della stessa entità

4 Meccanica Quantistica (in breve) particella come onda fenomeni dinterferenza

5 Meccanica Quantistica (in breve) A. Tonomura et al. American Journal of Physics 57, 117 (1989)

6 Meccanica Quantistica (in breve) onda come particella effetto fotoelettrico metallo luceelettroni maggiore è lintensità della luce, maggiore è il numero di elettroni, della stessa energia, emessi maggiore è la frequenza della luce incidente, maggiore è lenergia degli elettroni inspiegabili nellambito della fisica classica: lenergia di unonda e.m. dipende dallintensità, non da frequenza

7 Meccanica Quantistica (in breve) Einstein (1905): lenergia del fascio di luce è distribuita in pacchetti (quanti) di grandezza h interamente trasferibili all'elettrone Einstein (1915): nelle interazioni con la materia i quanti trasferiscono, oltre allenergia, anche un impulso ( mv ) costante di Planck rafforzato lo status particellare della luce: fotoni NB massa fotone = 0

8 Meccanica Quantistica (in breve) elettrone è onda stazionaria allinterno dellatomo (orbita contiene numero intero di lunghezze donda) Conseguenze natura ondulatoria della materia

9 Meccanica Quantistica (in breve) lenergia associata al moto dellelettrone è quantizzata

10 principio dindeterminazione (Heisenberg) Meccanica Quantistica (in breve) incertezza nella posizione incertezza nell impulso perde senso il concetto di traiettoria … è concessa violazione arbitraria della legge di conservazione dellenergia purché duri per un tempo corrispondentemente piccolo Non solo …

11 Piccolo tempo desposizione Grande tempo desposizione forma SI - velocità NO forma NO - velocità SI Meccanica Quantistica (in breve)

12 Laspetto probabilistico sembra essere lessenza ultima delle leggi fondamentali della natura La fusione dei concetti di onda e particella richiede labbandono di alcune idee classiche: Onda: rinuncia allidea di un mezzo materiale che vibra e fornisce supporto alla propagazione Particella: rinuncia allidea della localizzabilità onda - particella campo quantistico Campi Quantistici

13 Fisica Classica e-e- e-e- e - si avvicinano mutua repulsione rallentati e deviati azione a distanza Fisica Quantistica t x e-e- e-e- e-e- e-e- e - emette cambia velocità e - assorbe cambia velocità interazione = scambio del Interazioni tra Campi

14 Campi Fondamentali Caratterizzazione delle proprietà di trasformazione delle particelle sotto rotazioni spaziali spin

15 quantità determinata che rappresenta il momento angolare intrinseco della particella (idea intuitiva di spin: particella come trottola in rotazione è falsa: oggetto puntiforme non può ruotare su stesso) campi suddivisi in 2 grandi categorie fermioni = spin semidispari (1/2, 3/2, …) Campi Fondamentali bosoni = spin intero (0,1, 2, …)

16 2 tipi diversi di campi osservati in natura Campi Fondamentali Campi Materiali fermioni a spin 1/2 leptoni quarks Mediatori Interazioni bosoni

17 Campoq/e m (GeV) 6.8 x /3 d 3 x /3 u < 3 x e 5 x e 1 ^ Famiglia /3 s 1.22/3 c < 1.9 x ^ Famiglia 4.3-1/3 b /3 t < 18.2 x ^ Famiglia Campi Materiali

18 Dove sono il protone, il neutrone, i pioni, … ?? Esperimenti di diffusione di elettroni su protoni/neutroni mostrano che questultimi non sono particelle elementari, ma possiedono componenti interni: quarks (Gell-Mann, Zweig) Caratteristiche essenziali dei quarks carica elettrica frazionaria (+/- 1/3, +/- 2/3) carica di colore ciascun tipo (sapore) esiste in 3 versioni: rosso, verde, blu (antiquarks portano anticolore) Campi Materiali

19 Esempio: protone e neutrone tripletti di quarks p = {u, u, d} n = {d, d, u} pioni coppie quark-antiquark + = {u, } - = {d, } Regole di combinazione dei quarks: solo oggetti bianchi, ovvero {RVB} oppure {colore – anticolore}, a carica elettrica intera (o nulla) Natura aborre stati di colore isolati: mai osservati quarks liberi Campi Materiali

20 Gravitazione & E.M *.: familiari nella vita quotidiana (causa il raggio dazione infinito) Debole * : responsabile della radioattività (decadimento del neutrone n p + e - + e ) Forte: inizialmente ritenuta responsabile del legame nucleare e mediata dal pione. Natura composta di p, n, interpretata come residuo dellinterazione di colore tra quarks mediata da gluoni colorati (trasportano colore-anticolore 8 combinazioni diverse) * in realtà manifestazioni di una stessa interazione: Elettrodebole (Glashow, Weinberg, Salam) Interazioni

21 Gravitazionaleenergia Q, L E. M.elettrica Q, L Deboledebole Q, L Forte (Colore)colore Q CaricaAzione R (cm) ForzaInterazione 4 interazioni per spiegare tutto lUniverso Interazioni

22 GravitazionaleGravitone (G)20 Elettromagnetica Fotone ( ) 10 Debole3 Bosoni (W, Z 0 )180.4, 91.2 Forte (Colore)8 Gluoni (g i )10 InterazioneMediatoreSpin m (GeV) Interazioni

23 The Standard Model H Higgs boson Gravity ?

24 Il campo di Higgs (www.asimmetrie.it) ASIMMETRIE (n. 8)

25 LHC

26 Higgs 2 fotoni

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29 ? 4 invece di 1 ? così diverse agiscono su classi diverse di particelle: quella di colore solo sui quarks intensità completamente differenti mediate da campi con proprietà diverse Interazioni ? Gravità così debole (a bassa energia) tra 2 e - : F Coulomb F Newton Questioni aperte

30 ? 3 Famiglie m t 10 8 m e m m e ? masse cosí diverse Qualè la vera origine della massa ? ? Quarks & Leptoni G.U.Theory Predizione scioccante: decadimento del protone il destino ultimo dellUniverso non prevede la materia di cui siamo fatti Questioni aperte

31 esistenza di nuova forma di materia: particelle supersimmetriche soluzione problema della materia oscura ?? (solo 4.5 % della materia delluniverso è in forma di particelle ordinarie) ? Bosoni & Fermioni Nuova simmetria correla bosoni & fermioni per ogni bosone (fermione) esiste partner supersimmetrico fermionico (bosonico) Supersimmetria Questioni aperte

32 Modello Standard + Supersimmetria E (GeV) (Intensità) e.m. debole colore gravità G.U. e.m. debole colore Questioni aperte

33 particelle supersimmetriche ? Higgs unificazione E.W E (GeV) e cb W t unificazione E.W. - Colore Scala di Planck ? cosí distanti Problema gerarchico Questioni aperte

34 ? Gravità incompatibile con M.Q. ? Spaziotempo ha dimensioni aggiunta di dimensioni spaziali extra attraverso cui si propaga solo la gravità, mentre le altre interazioni agiscono solo nello spaziotempo ordinario soluzione problema gerarchico ha a che fare con la debolezza della gravità ? modifica della legge di Newton a piccole distanze Questioni aperte

35 Le particelle sono veramente puntiformi ? Teoria delle Stringhe ulteriore livello microscopico: particelle non sono puntiformi, ma piccole ( cm) corde oscillanti diversi stati di oscillazione della stringa particelle diverse Questioni aperte

36 Conseguenze della Teoria delle Stringhe: dimensionalità spaziotempo = altre 6 dimensioni spaziali sono arrotolate su distanze dellordine di cm inosservabili alle energie a noi accessibili Questioni aperte nellequazione fondamentale della teoria è presente (D - 10) x (termine problematico) rende instabile la teoria

37 risoluzione conflitto M.Q. – Gravitazione Problema: manca la matematica!! solo Stringhe ? membrane p-dimensionali teoria M viene aggiunta ulteriore dimensione spaziale Questioni aperte tra le oscillazioni della stringa una ha massa nulla e spin = 2 gravitone

38 Leggi dinterazione universali (indipendenza da luogo e tempo) estrapolazione nel passato (e nel futuro) Astrofisica Biologia Fisica Nucleare FdP Chimica Astroparticle Physics

39 t0a0 T Quale Fisica ? Gravità Quantistica t ~ s E ~ GeV Era di Planck


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