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Il modello standard delle forze. Vocabolario delle particelle Le costanti Costante di Planck h = 6,6 X 10 -34 Joule secondo Velocità della luce c = 3.

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Presentazione sul tema: "Il modello standard delle forze. Vocabolario delle particelle Le costanti Costante di Planck h = 6,6 X 10 -34 Joule secondo Velocità della luce c = 3."— Transcript della presentazione:

1 Il modello standard delle forze

2 Vocabolario delle particelle Le costanti Costante di Planck h = 6,6 X Joule secondo Velocità della luce c = metri/secondo Costante di Planck ridotta (h tagliato) = h/2

3 Vocabolario delle particelle Le scale di energia Elettronvolt (eV) 1 eV = 1, Joule Kiloelettronvolt1 Kev = 10 3 eV Megaelettronvolt1 Mev = 10 6 eV Gigaelettronvolt1 Gev = 10 9 eV Teraelettronvolt1 Tev = eV

4 Vocabolario delle particelle Le relazioni Equivalenza massa – energia: E = m c 2 Relazione di Planck tra energia e frequenza: E = h Relazione di DeBroglie tra quantità di moto e lunghezza donda p = h/

5 Vocabolario delle particelle Il momento angolare l momento angolare di una particella si chiama SPIN L = m v r r

6 Vocabolario delle particelle Le regole Lo spin di una particella può essere solo un multiplo intero (1, 2, 3…) o semiintero (1/2, 3/2, 5/2…) della costante ridotta Spin semiintero: FERMIONI Spin intero: BOSONI Costituiscono la materia Costituiscono le forze

7 Vocabolario delle particelle Le regole La carica elettrica di una particella è pari alla carica dellelettrone o a una sua frazione semplice (1/3, 2/3) Carica intera: LEPTONI Carica frazionaria: QUARK

8 Vocabolario delle particelle Le regole Per ogni particella esiste un ANTIPARTICELLA, dotata delle stesse caratteristiche ma con carica di segno opposto. Le particelle prive di carica sono le antiparticelle di se stesse.

9 Vocabolario delle particelle Le regole I principi di conservazione classici: Energia Quantità di moto Momento angolare Carica elettrica

10 Vocabolario delle particelle Le regole Un nuovo principio di conservazione: CPT Se si cambia segno a tutte le cariche (C) si scambia la destra con la sinistra (P) e si inverte il segno del tempo (T) tutte le leggi che regolano i fenomeni fisici restano immutate C: coniugazione di carica P: parità T: inversione temporale

11 Cose una particella ? Un ente fisico rilevabile, almeno per un certo tempo, come una ente singolo, dotato di caratteristiche ben definite: MASSA CARICA ELETTRICA SPIN

12 Come rilevare una particella ? Esistono vari tipi di rilevatore: uno dei più antichi è la camera a nebbia, che mette in rilievo la scia lasciata da una particella Fotografie da camere a nebbia

13 La teoria classica delle forze Le particelle materiali interagiscono tra di loro attraverso CAMPI DI FORZA, come il campo elettrico, enti definiti in tutto lo spazio in grado di mediare lo scambio di energia tra corpi. Lenergia si propaga nel campo sotto forma di onde, dotate di propria frequenza e lunghezza donda.

14 La teoria Quantistica delle forze Lenergia dei campi di forza si presenta sempre sotto forma di pacchetti indivisibili, detti QUANTI del campo, che in opportuni esperimenti sono rilevabili come singole particelle. Lazione tra due particelle-materia si attua con lo scambio di una o più particelle-forza

15 La teoria Quantistica delle forze Il legame tra le caratteristiche del campo (energia, lunghezza donda, frequenza) e quelle delle particelle (massa, quantità di moto) è dato dalle relazioni di Einstein, Planck e DeBroglie.

16 La teoria Quantistica della materia Anche le particelle materiali sono i quanti di opportuni campi. La descrizione quantistica di forze e materia è unitaria. La distinzione tra campi materiali e campi di forze è a volte convenzionale.

17 La rappresentazione grafica delle interazioni tra particelle Diagrammi di Feynmann Particella-materia Particella- forza Particella entrante o antiparticella uscente Antiparticella entrante o particella uscente

18 esempi e-e- e+e+ Annichilazione elettrone-positrone e+e+ u u d Decadimento del protone Autointerazione dellelettrone e-e- e-e-

19 Le famiglie delle particelle Leptoni Carichi Neutri Elettrone Neutrino elettronico Muone Neutrino muonico Tauone Neutrino tauonico

20 Le famiglie delle particelle Caratteristiche dei leptoni: Sono tutti fermioni Hanno carica uguale a quella dellelettrone o sono neutri Lelettrone e i neutrini sono stabili, mu e tau decadono formando elettroni e neutrini

21 Le famiglie delle particelle Quark Carica = -1/3e Carica = 2/3e Down (d)Up (u) Stange (s)Charm (c) Bottom (b)Top (t)

22 Le famiglie delle particelle Caratteristiche dei quark: Sono tutti fermioni Non esistono mai singoli, ma si legano a due o a tre. Due d e un u formano il neutrone, due u e un d il protone. up e down sono stabili, mentre gli altri decadono in u e d.

23 La gerarchia delle masse Particella Massa (Mev) Neutrini piccola, ma non nulla Elettrone0,51 Mu106,6 Tau1784 Up, Down310 Strange505 Charm1500 Bottom5000 Top22500

24 Le forze fondamentali Elettromagnetica Forte Debole Agisce tra atomi e molecole, fino a livello macroscopico Formazione dei nuclei, reazioni nucleari Decadimento del neutrone, reazioni nucleari

25 Le particelle mediatrici delle forze (bosoni intermedi) Mediatori della forza elettromagnetica FOTONI Privi di massa e carica elettrica Sono stabili, quindi il raggio dazione della forza è infinito

26 Le particelle mediatrici delle forze (bosoni intermedi) Mediatori della forza debole BOSONI W +, W -, Z° Hanno massa, e le W hanno anche carica elettrica. Sono instabili, quindi il raggio dazione della forza è molto piccolo

27 Le particelle mediatrici delle forze (bosoni intermedi) Mediatori della forza forte GLUONI Sono privi di massa e di carica elettrica. Sono instabili, quindi il raggio dazione della forza è molto piccolo

28 Caratteristiche dei bosoni ParticellaMassa Carica Raggio Intensità della. (GeV) dazione forza Gluone m1 Fotone 00infinito10 -2 W m W m Z° m10 -13

29 Particelle e forze I neutrini risentono solo della forza debole I restanti leptoni risentono sia della debole che di quella elettromagnetica, ma non della forte I quark risentono di tutte e tre le forze

30 Le sorgenti delle forze: le cariche La sorgente della forza elettromagnetica è la carica elettrica: solo le particelle dotate di carica possono interagire secondo le note regole: cariche opposte si attraggono cariche uguali si respingono Nel modello standard, la forza debole è unificata con quella elettromagnetica

31 Le sorgenti delle forze: le cariche La sorgente della forza forte è la carica di colore che può assumere tre valori: rosso, verde e blu per i quark, antirosso, antiverde e antiblu per gli antiquark. I quark non possono mai esistere isolatamente, ma solo in agglomerati di colore bianco. Ad esempio: Rosso + verde + blu = bianco (dà un protone) Rosso + antirosso = bianco (dà un mesone)

32 Gli effetti della forza forte Per effetto dellinterazione forte, tre quark di colore diverso si uniscono a formare un protone o un neutrone In effetti, neutroni e protoni sono un agglomerato di quark e gluoni u d u u d d Protone Neutrone

33 Gli effetti della forza forte Linterazione forte tra i quark di diversi nucleoni li fa unire tra di loro, formando i nuclei degli elementi Questa forza può far fondere tra di loro due nuclei (fusione nucleare) Deuterio Elio

34 Gli effetti della forza elettromagnetica Linterazione elettromagnetica fa unire gli elettroni ai nuclei per formare gli atomi

35 Gli effetti della forza elettromagnetica La residua forza elettromagnetica tra elettroni di atomi diversi fa unire gli atomi a formare molecole, cristalli e in generale corpi macroscopici

36 Gli effetti della forza debole La forza debole è responsabile di alcuni fenomeni come il decadimento del neutrone, che si trasforma in un protone, un elettrone e un antineutrino elettronico Neutrone Antineutrino Protone Elettrone

37 Cio che il modello non spiega Le intensità delle forze Non si sa perché la forza elettromagnetica debba avere una certa intensità e la forza debole unaltra Nel modello standard le diverse intensità sono regolate in modo da soddisfare i dati sperimentali

38 Cio che il modello non spiega Le masse delle particelle Non si sa perché le particelle debbano avere le masse che hanno e non altre Nel modello standard le masse vengono introdotte come dati sperimentali

39 La teoria di higgs Nella teoria di Higgs le particelle non hanno massa in origine, ma la acquistano interagendo con un campo di forze, detto campo di Higgs Questa massa è dunque lenergia di interazione col campo e dipende dallintensità dellinterazione

40 La teoria di higgs Il quanto di questo campo si chiama particella di Higgs, e avrebbe avuto un ruolo decisivo nel Big Bang, producendo linflazione La particella di Higgs finora non è mai stata rilevata

41 Questioni irrisolte La forza di gravità La migliore teoria attuale della gravitazione è una teoria classica (campi senza quanti) La teoria quantistica non è ancora abbastanza sviluppata e non si integra nel modello standard

42 Questioni irrisolte Perché quattro forze? La questione non è chiara: cè comunque la possibilità che esista anche una quinta forza, che agisce su scala cosmica e provoca unaccelerazione dellespansione delluniverso

43 Questioni irrisolte La grande unificazione A grandi energie le forze più intense decrescono e le forze più deboli aumentano di intensità A un certo punto le quattro forze della natura diventano una sola?

44 Questioni irrisolte La grande unificazione La grande unificazione implica lesistenza di nuove particelle, dette supersimmetriche, di energia troppo grande per essere rilevate dagli acceleratori Particelle di questo tipo potrebbero essersi create nei primi istanti del Big Bang

45 Questioni irrisolte WIMPS Particelle massicce debolmente interagenti (wimps) potrebbero essere sopravvissute fino ai giorni nostri e venir rilevate in opportune condizioni

46 Questioni irrisolte Un livello più profondo Le particelle elementari sono veramente elementari o potrebbero essere a loro volta fatte di altre particelle? Per ora questo argomento è puramente speculativo e non ha basi sperimentali


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