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Dal al una breve guida allattuale comprensione della Fisica delle Particelle Elementari [kàos, origine, inizio ] [kòsmos, ordine, succ. universo ] Incontri.

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1 dal al una breve guida allattuale comprensione della Fisica delle Particelle Elementari [kàos, origine, inizio ] [kòsmos, ordine, succ. universo ] Incontri di Fisica 2004 – P.Campana –

2 Linterpretazione teorica del mondo subnucleare va sotto il nome di Modello Standard (SM) Lo SM è stato verificato con gli apparati sperimentali con grandissima precisione (1 parte/1000) e continua ad esserlo tuttora Una piccola discrepanza indicherebbe la presenza di nuovi fenomeni di Fisica. Ad oggi non ci sono tali indicazioni Ma lo SM non spiega tutto il mondo che ci circonda Gli effetti gravitazionali non sono riconducibili nella stessa teoria che spiega le interazioni elettromagnetiche o nucleari tra le particelle La comprensione di questa unificazione avrebbe effetti fondamentali nella comprensione dellevoluzione dellUniverso

3 Dallinizio del secolo, dopo aver scoperto con Rutherford che gli atomi e soprattutto i nuclei, erano molto piu complessi di quanto ci si potesse immaginare, e fino agli anni 60, la sperimentazione agli acceleratori e lo studio dei raggi cosmici permette di scoprire una miriade di particelle elementari diverse (oltre 400) Queste interagiscono tra loro, decadono piu o meno rapidamente, subiscono forze diversissime in intensita, soddisfano o violano le varie regole di simmetria e di conservazione - insomma un caos ! Possibile che siano tutte elementari ? Possibile che non ci siano criteri di semplificazione ? Possibile che servano spiegazioni ad-hoc ? Poi, nei primi anni 60, si fa strada lipotesi che sotto ci siano pochi mattoni fondamentali...

4 Gli elementi del puzzle Le particelle Le forze Le simmetrie (o le leggi di conservazione) Le leggi di simmetria regolano le interazioni (ossia lo scambio di forze) tra le particelle. Ad ogni simmetria corrisponde una quantita conservata Le piu ovvie leggi di conservazione sono quelle dellenergia, dellimpulso, della carica, del momento angolare (che sono poi quelle usate in fisica classica)

5 Le forze (o campi) Elettromagnetica – quella di cui abbiamo esperienza quotidiana Nucleare forte – quella che mantiene stabili i nuclei Nucleare debole – quella che governa i decadimenti radioattivi e che e responsabile dei processi di combustione nelle stelle (ad es. la fusione nel Sole: p+p 2 H 1 + e + + e MeV) Gravitazionale – che regola i moti dei corpi celesti Ad oggi non si conoscono fenomeni che non siano riconducibili ad una di queste quattro forze p+

6 I trasmettitori delle forze Elettromagnetica – il fotone [] Nucleare forte – i gluoni [g 1,...,g 8 ] Nucleare debole – i bosoni Z e W Gravitazionale – il gravitone [G] Queste entita comunicano alle particelle la presenza di una forza – linterazione avviene con lo scambio di questi oggetti – tra le particelle si crea un campo di forza

7 I segni particolari delle forze Ogni forza ha la caratteristica di trasmettere una quantita specifica dellinterazione (numero quantico)

8 Lintensita e il campo di azione delle forze Elettromagnetica – 1/r 2 (a lunghissimo raggio, si estende allinfinito, diminuisce con la distanza) Costante di accoppiamento : em = 1/137 Nucleare forte – K*r (a cortissimo raggio, m, aumenta con la distanza ! Analogo meccanico: la molla) Costante di accoppiamento : s ~ 0.4 Nucleare debole – Interazione puntiforme (ha valore non nullo solo nellintorno del punto di interazione) Costante di accoppiamento : G Fermi ~ Gravitazionale - 1/r 2 (a lunghissimo raggio, si estende allinfinito, diminuisce con la distanza) Costante di accoppiamento : G Newton ~ In tutte le interazioni tra particelle e trascurabile

9 Una comune origine delle forze ? Si e osservato sperimentalmente che lintensita delle costanti di accoppiamento varia con lenergia in gioco nei processi Si ritiene che ad un certo momento dellevoluzione dellUniverso (quando il sistema era piu caldo e quindi le particelle erano in media piu energetiche) le tre forze avessero la stessa intensita e quindi ci fosse un unico tipo di interazione (Grande Unificazione) log 10 Q 2 E D F 15

10 Tale unificazione e stata dimostrata sperimentalmente per energie ~100 GeV per linterazione elettro-debole. Il meccanismo che genera la separazione delle forze e chiamato rottura della simmetria e prevede lesistenza di una particella di massa tra 100 e 1000 GeV [bosone di Higgs] Si e alla ricerca di questa particella con gli acceleratori attualmente in costruzione. La scoperta del bosone di Higgs rappresenta lultimo elemento mancante nella spettacolare verifica del Modello Standard. Una non scoperta, una falla irreversibile nella teoria E previsto un meccanismo di unificazione simile per forte- elettro-debole ad energie ~ GeV. Si specula che lunificazione con linterazione gravitazionale possa accadere a ~ GeV. Il Modello Standard e pero insufficiente a descrivere questi tipi di unificazione

11 Le particelle Lipotesi base dello SM e che per descrivere la natura siano sufficenti 12 enti puntiformi: i quark [u,d,s,c,b,t] e i leptoni [e,,, e,, ] organizzati in tre famiglie o generazioni Ad oggi sappiamo che tutta la materia e costituita a partire da questi elementi

12 Gli adroni (ossia quasi tutte le particelle a noi note) sono costituiti da miscele di 2 [mesoni] o di 3 quark [barioni] tenuti insieme dalla forza nucleare forte (quindi dallo scambio continuo di gluoni) I quark hanno carica frazionaria ! (ma sono confinati e inosservabili...) Quark e leptoni trasportano un numero quantico che gli permette di sottostare ai diversi tipi di interazione: - carica debole (sapore) : tutti - carica forte (colore) : i quark - carica elettrica : tutti tranne i neutrini

13 Regole da seguire nella formazione degli adroni: cariche intere (..., -1, 0, +1,...) carica forte neutra : ad es. rosso-anti rosso, rosso-blu- verde (lattribuzione del numero quantico di colore deriva dai principi della Meccanica Quantistica) le interazioni forti conservano il colore, le interazioni deboli conservano il sapore, linterazione elettromagnetica conserva la carica Non sappiamo il perche del rispetto di queste simmetrie RR BarioniMesoni

14 La scala delle masse di leptoni, quark e bosoni Solo il non e stato ancora scoperto: di tutti gli altri vi sono evidenze sperimentali

15 Con le regole esposte in precedenza si possono comporre tutti gli adroni (mesoni e barioni) che presentano gli opportuni numeri quantici (stranezza, charm, bellezza)

16 Lintensita delle interazioni deboli tra quark La matrice di Cabibbo-Kobayashi-Maskawa In questa scala, 1 significa 100% Ad es. i quark di tipo t (top) decadono od interagiscono quasi esclusivamente con quark di tipo b (bottom). Studiando le relazioni tra gli elementi della matrice, si verifica il Modello Standard. La matrice si riflette sulla composizione delle 3 generazioni (u-d, c-s, b-t). Nota: non sono ammesse transizioni neutre che cambiano il sapore, come ad es. b s (FCNC) ! Esistono ma solo agli ordini piu elevati

17 Dove, quali, quante ? Particelle stabili Protoni, neutroni ed elettroni costituiscono atomi e molecole. Fotoni e i neutrini riempiono il nostro spazio (10 10 fotoni /barione) Particelle instabili Vengono continuamente create e distrutte nei processi di interazione, in particolare dallarrivo dei raggi cosmici nellatmosfera e dai loro secondari Agli acceleratori abbiamo la possibilita di creare le particelle di nostro interesse; nei laboratori sotterranei (ad es. al G.Sasso) possiamo separare gli eventi piu rari dal fondo cosmico

18 Le simmetrie Parita [P] - Trasformazione che ribalta gli assi (x,y,z) (-x,-y,-z) (ad es. osservata ad uno specchio, con rotazione di 180°) Coniugazione di carica [C] - Trasformazione che inverte la carica (q 1,q 2 ) (-q 1,-q 2 ) (trasforma una particella nella sua antiparticella)

19 Inversione temporale [T] - Trasformazione che inverte la direzione del tempo (t) (-t) CPT, CP - Trasformazioni successive Conservazione dei numeri leptonici [e,, ] e barionici - Il numero di leptoni per ogni famiglia ed il numero di barioni si conserva nelle interazioni P, C sono violate nelle interazioni deboli CP e violato in particolari condizioni (e comunque sempre ad un livello minimo: ~1/1000) Non si sono mai osservate violazioni di T, CPT e dei numeri leptonici o barionici Piu la violazione e esotica e piu e interessante per gli eventuali segnali di nuova fisica oltre lo SM

20 La violazione di CP Si pensa che la violazione di CP abbia determinato il corso dellevoluzione dellUniverso [asimmetria materia-antimateria] perche il Big-Bang iniziale ha prodotto un eguale quantita di materia e antimateria. Il presente Universo e dominato dalla materia Il problema e che la violazione di CP osservata agli acceleratori e troppo piccola da giustificare lasimmetria osservata Dove viene osservata la violazione di CP ? Nei sistemi dei mesoni K e B (quark s e b). In particolare nei K 0 L si trova che il decadimento in due pioni e osservato (anche se con frequenza circa 1/1000 inferiore a quello permesso in 3 pioni). Gli attuali esperimenti stanno ricercando tale violazione anche in altri canali

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22 Nei Laboratori di Frascati e operante un acceleratore di particelle (DAFNE) che permette di studiare la simmetria delle interazioni tra materia e antimateria (violazione di CP) KLOE e un apparato sperimentale che osserva i decadimenti delle particelle prodotte in DAFNE: mesoni K K Oltre a vari altri studi, la misura della frequenza dei decadimenti di particelle e di anti-particelle ci fornisce indicazioni sull entita della violazione della simmetria CP nel sistema del mesone K, in particolare studiando K 0 L e K 0 S

23 Una rappresentazione grafica delle particelle e delle loro interazioni – I diagrammi di Feynman Un quark o un leptone e descritto da segmenti entranti o uscenti da vertici nei quali si svolge linterazione I bosoni vettori delle forze sono descritti da linee a zig-zag tempo e+ e - Tutte le interazioni tra le particelle possono essere descritte con questo semplice schema, che permette anche, applicando una serie di regole della fisica teorica, di calcolarne lintensita (sezione durto del processo)

24 Le interazioni elettromagnetiche, deboli e forti dei leptoni e dei quark Electromag.

25 Il decadimento (interazione debole) Come laveva ipotizzata Fermi nel 1933 [interazione puntiforme].... Bilancio energetico: n (m=939.5 MeV) p (m=938.2 MeV) + e - (m=0.5 MeV) + Distanza tipica dinterazione del bosone W: L ~ h / M W ~ 200 MeV / MeV * m ~ m Interazione puntiforme ! Bilancio energetico: n (m=939.5 MeV) p (m=938.2 MeV) + e - (m=0.5 MeV) + Distanza tipica dinterazione del bosone W: L ~ h / M W ~ 200 MeV / MeV * m ~ m Interazione puntiforme ! E come la descrive il Modello Standard:

26 La verifica del modello a quark Negli anni 70, colpendo i nuclei con sonde elettromagnetiche (leptoni) di alta energia (Deep Inelastic Scattering) si osservo che i risultati ottenuti erano incompatibili con lidea di protoni e neutroni puntiformi – proprio come circa 100 anni prima, Rutherford aveva dimostrato che i nuclei avevano una struttura interna SLAC, Stanford (US) p,n

27 I gluoni come agenti della forza nucleare forte Negli anni 70, nelle collisioni elettrone- positrone ad alta energia, si osservano dei getti di energia, associabili alla presenza di gluoni dovuti dalla forza nucleare forte che si origina dalle interazioni tra quark. E la manifestazione piu spettacolare del confinamento DESY, Amburgo Il gluone si materializza in un getto di particelle (oltre a quello dei quark coinvolti)

28 La scala delle interazioni forti e del confinamento Nellallontanamento tra due quark si crea un forte campo che genera una nuova coppia q anti-q Quale e la scala di questallontanamento ? La minima massa di una coppia di q e quella del pione L ~ h / M pione ~ 200 MeV / 130 MeV * m ~ m Oltre questo limite, non ha senso parlare di quark liberi : la forza di richiamo forte e cosi intensa da generare ulteriori quark

29 La verifica del Modello Standard – Il bosone Z 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 CERN, Ginevra Il precedente limite era basato su considerazioni cosmologiche

30 Se i neutrini hanno massa...3 osservazioni sperimentali dal Sole si contano 1/3 dei neutrini e si sa che finiscono in / dallatmosfera si contano ½ dei neutrini dai reattori si sa che - e non oscillano

31 Un quadro complicato, con una certezza Si ipotizza che i neutrini delle tre famiglie non siano puri ma risultano da un mescolamento di tre autostati di massa 1, 2, 3 che variando le ampiezze relative durante il tragitto tra la sorgente e il punto di osservazione, modificano la tipologia iniziale (una specie di matrice CKM per i neutrini) Un fascio di neutrini di alta energia, prodotto da un acceleratore situato al CERN, verra inviato su di un apparato di misura nel Laboratorio del G.Sasso (a 730 km di distanza), con la speranza di osservare direttamente la trasformazione /

32 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 include la gravitazione non spiega la violazione di CP e la dominanza di materia nel nostro Universo non suggerisce una soluzione al problema della Materia Oscura nellUniverso perche 3 famiglie ? perche la carica e quantizzata ? perche no FCNC e B,L conservati troppi parametri chiralita delle interazioni deboli.... Varie teorie cercano di superare questi problemi: GUT, SUSY, Technicolor, Compositeness, Superstringhe. Purtroppo nessuna di queste ha una qualche conferma sperimentale

33 Cosa ce oltre la siepe ? (forse) la Supersimmetria Quark e leptoni sono particelle di spin ½ (fermioni) Si ipotizza che ci sia un mondo di bosoni (a spin 1) speculare (Supersimmetrico) con masse fino a circa ~1 TeV che rispettano le interazioni standard: s-quark, s-leptoni, s-fotoni (fotini), ecc... Queste particelle, essendo cosi pesanti, avrebbero avuto un ruolo cruciale nellevoluzione dellUniverso e potrebbero spiegare lenigma della Materia Oscura Esse sarebbero una rimanenza del lontano Big Bang, avendo una massa cosi elevata da non poter essere prodotte durante linterazione dei raggi cosmici

34 Ce qualcosa di piu piccolo dei quarks ? Ci sono nuovi tipi di particelle o di mediatori delle forze ? Ad oggi tante ipotesi, ma nessun segnale: preoni, non trovati fino a scale di confinamento ~ 3-6 TeV quark eccitati, limiti sulle masse > 500 GeV nuovi bosoni della forza e-debole, limiti alle masse ~ 200 GeV Lepto-quark, particelle con numeri barionici e leptonici, limiti alle masse ~ 250 GeV I nuovi acceleratori in costruzione (in particolare LHC) potranno dire una parola definitiva su queste ipotesi. Se non si dovessero trovare nuove particelle entro 1 TeV, si aprirebbe la porta ad uno scenario che prevede un deserto sino alle Masse di Grande Unificazione (~ GeV)

35 Lacceleratore LHC al CERN di Ginevra (2007) protoni si scontreranno contro protoni alla massima energia disponibile oggi (14 TeV) 27 km

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37 protoni

38 I grandi apparati sperimentali catturano i prodotti delle collisioni

39 Lesperimento ATLAS a LHC 2000 fisici, 300 MEuro

40 Gli acceleratori e i grandi apparati sperimentali rappresentano una sfida tecnologica confrontabile con quella della ricerca spaziale

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42 Spesso ci si chiede: a cosa serve la Ricerca Fondamentale ? Rispondere alle domande primarie delluomo e gia un obiettivo di grande significato Ma la Ricerca Fondamentale ha anche un altro risvolto : quello delle ricadute tecnologiche. Quelle che entrano nella vita di tutti i giorni e la migliorano a distanza di decenni dalla scoperta : il radar, il transistor, i raggi X, la medicina nucleare, la risonanza magnetica, il laser, la superconduttivita, le telecomunicazioni, i supercomputer, la PET, il WEB, ecc… A volte, cercando di risolvere un problema, si scopre, involontariamente, qualcosa daltro…

43 BIBLIOGRAFIA D. Perkins "High Energy Physics" (4th edition), Cambridge University Press Un testo che raccoglie la gran parte dei concetti fondamentali della Fisica delle Particelle, trattati ad un livello di corso universitario E. Segré, Nuclei e Particelle, Zanichelli Un testo che raccoglie la gran parte dei concetti fondamentali della Fisica delle Particelle, trattati ad un livello di corso universitario, con maggiore enfasi sulla parte di fisica nucleare. Non aggiornato alle ultime scoperte L. Lederman – D.N. Schramm, Dai Quark al Cosmo, Zanichelli Un libro introduttivo alla Fisica delle Particelle e alle connessioni con la Cosmologia I quaderni delle Scienze – La raccolta dei principali articoli di Fisica delle Particelle usciti su LeScienze Una serie di introduzioni ai principali concetti della moderna Fisica delle Particelle


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