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Masterclass 2011 Introduzione al corso Danilo Domenici Laboratori Nazionali di Frascati INFN.

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1 Masterclass 2011 Introduzione al corso Danilo Domenici Laboratori Nazionali di Frascati INFN

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3 La fisica delle particelle è la branca della fisica che studia i costituenti fondamentali e le interazioni fondamentali della materia. Talvolta viene anche usata lespressione fisica delle alte energie, quando si vuole far riferimento allo studio delle interazioni tra particelle elementari che si verificano ad altissima energia che permettono di creare particelle non presenti in natura in condizioni ordinarie, come avviene negli acceleratori di particelle. Fisica delle Particelle Wikipedia

4 E possibile ricondurre lintera realtà conosciuta ad un piccolo numero di componenti fondamentali interagenti tra loro attraverso poche leggi note?

5 Ma che significa fondamentale? Per Aristotele e i greci antichi fondamentali erano i 4 elementi: Aria, Terra, Acqua e Fuoco fondamentale = a fondamento della natura fondamentale = indivisibile, non costituito da niente di più piccolo ατομος Democrito nel 400 a.C. ipotizza che tutta la materia sia costituita da particelle fondamentali

6 I 92 atomi conosciuti sono classificati in base al Numero atomico (Z) La regolarità delle loro proprietà chimiche indica che devono essere costituiti da qualcosa di più piccolo (carica elettrica) Mendeleev nel 1869 introduce in Chimica la Tavola Periodica degli Elementi

7 Gli atomi sono costituiti da: Un nucleo elettricamente positivo, con una carica uguale al suo Numero atomico Una nube elettronica elettricamente negativo che bilancia la carica nucleare e rende latomo elettricamente neutro Rutherford, 1905: Modello planetario dellatomo Gli orbitali esterni determinano il legame chimico. Atomi con orbitali esterni simili occupano posizioni simili nella tavola periodica

8 Esperimento di Rutherford Il nucleo era piccolo, solido e denso: sembrava veramente fondamentale. Solo nel 1932 si capì che era invece costituito da protoni e neutroni J. Chadwick

9 Oggi sappiamo che neanche protoni e neutroni sono fondamentali, ma costituiti da quark Gell-Mann, 1963. I Quark In un protone ci sono 3 quark: 2 di tipo UP, 1 di tipo DOWN Oggi, dopo anni di test sperimentali, siamo convinti che i quark siano finalmente particelle fondamentali indivisibili u u d Tutte le particelle note (sono centinaia!) si ottengono da combinazioni di quark

10 6 Quark

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12 La figura non è in scala: se facessimo i protoni e i neutroni di 1cm tutto latomo sarebbe largo quanto 30 campi di calcio! Latomo è vuoto!!! La struttura dellatomo

13 Che cosa tiene insieme queste particelle? Luniverso esiste perché le particelle elementari interagiscono. Queste interazioni includono lattrazione, la repulsione, il decadimento e lannichilazione Ci sono 4 interazioni fondamentali tra le particelle, e tutte le forze nelluniverso sono causate da queste 4 interazioni! Forza Elettromagnetica: tiene insieme gli atomi Forza Forte: tiene insieme i nuclei Forza Debole: fa trasformare i nuclei Forza Gravitazionale: tiene insieme le galassie

14 I fisici hanno sviluppato una teoria che spiega di cosa è fatto il mondo e che cosa lo tiene insieme. E una teoria semplice che spiega centinaia di particelle e complesse interazioni con solo: 6 quark (u,d,s,c,b,t) 6 leptoni (e,µ,τ,ν e,ν µ,ν τ ) 3 interazioni (forte, elettromanetica e debole) In realtà le cose sono un po più complicate... cè anche lanti-materia: 6 anti-quark e 6 anti-leptoni le interazioni si riducono a 2: forte (o adronica) e elettro-debole le forze sono veicolate da 4 particelle, dette bosoni: gluone (forza forte), fotone, W, Z (per la forza elettro-debole) Il MS è una buona teoria. E stato confermato sperimentalmente con grandissima precisione e (quasi) tutte le particelle predette sono state trovate. Ma non spiega la Gravità Il Modello Standard

15 H Higgs boson ? P. Higgs

16 u u c c t t d d s s b b e e e e g g W W Z Z H H MATERIAFORZE Quark Leptoni Bosoni di Gauge Bosone di Higgs ? Il Modello Standard delle Particelle e delle Interazioni

17 Per ogni particella esiste anche la corrispondente particella di antimateria. Lantiparticella è uguale alla particella con carica di segno opposto. Lantimateria viene creata comunemente negli acceleratori di particelle. Però lUniverso osservato è interamente composto di materia. Antimateria P. Dirac 1920 C. Anderson 1964

18 Fisica Classica Meccanica Quantistica Relatività Speciale Piccole dimensioni Grandi velocita F = ma E = mc 2 λ = h/p 2 nuove teorie sviluppate allinizio del 900

19 Meccanica Classica F = ma 2 nuove teorie sviluppate allinizio del 900 I. Newton Meccanica Quantistica λ = h/p Relatività Speciale E = mc 2 dualità onda-parrticella natura probabilistica della realtà abbandono del tempo assoluto equivalenza massa-energia

20 Perché nellUniverso osserviamo principalmente materia e pochissima antimateria? Cosa è la materia oscura che ha effetti sulla forma dellUniverso? Perché il Modello Standard non predice le masse delle particelle? Quark e leptoni sono fondamentali o sono fatti di particelle ancora più piccole? Perché ci sono proprio 3 famiglie di fermioni? Come si inserisce la Gravità in tutto questo? Questioni aperte del Modello Standard

21 Struttura del corso Un excursus teorico sulla moderna fisica delle particelle e sui suoi problemi ancora irrisolti (G. Isidori) Cenni sugli acceleratori di particelle (C. Milardi) Cenni sui rivelatori di particelle (D. Domenici) Un esempio interattivo di analisi dei dati di un moderno rivelatore (P. Di Nezza, M. Dreucci) Un seminario sul più grande acceleratore del mondo: LHC al CERN (P. Campana) Il corso comprende:


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