La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino1 Le particelle elementari Masterclass Europea in Fisica delle Particelle Elementari Teachers day.

Presentazioni simili


Presentazione sul tema: "Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino1 Le particelle elementari Masterclass Europea in Fisica delle Particelle Elementari Teachers day."— Transcript della presentazione:

1 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino1 Le particelle elementari Masterclass Europea in Fisica delle Particelle Elementari Teachers day – Torino, 18 marzo 2006

2 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino2 Cosa vuol dire studiare Fisica delle Particelle Elementari ? Vuol dire cercare di rispondere a domande tipo: Di cosa è fatta la materia che ci circonda? Quale origine hanno le forze che tengono insieme i componenti della materia?

3 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino3 Il riduzionismo e il processo fondamentale usato in fisica per la comprensione della realta: Le proprieta dei sistemi complessi si possono interpretare in termini delle proprieta delle parti piu semplici che li compongono e delle forze che intervengono a comporli Riduzionismo

4 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino4 Una proprietà emergente è una proprietà di qualche totalità complessa che non può essere spiegata nei termini delle proprietà delle sue parti. Senatores boni viri, senatus autem mala bestia Comportamenti emergenti sono spesso invocati in altre discipline tipo le scienze sociali o biologia Comportamenti emergenti

5 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino5 In fisica delle particelle il riduzionismo e universalmente accettato. In biologia (come in altre scienze) la situazione e molto meno chiara. Vi e un dibattito molto intenso per capire se la soluzione a problemi complessi (cancro, schizofrenia, depressione..) sia trovabile attraverso lo studio del genoma (riduzionismo). Riduzionismo in altre scienze

6 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino6 Lapproccio riduzionista in fisica delle particelle ha portato a moltissimi progressi. Ogni ulteriore livello di riduzione porta con se` una grande quantita di informazioni. Il passaggio da un livello a quello successivo avviene attraverso lo studio di regolarita che indicano la presenza di una sotto-struttura La fisica delle particelle

7 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino7 Sottostrutture Regolarita negli atomi Regolarita nei nuclei

8 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino8 Il cammino degli ultimi 50 anni

9 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino9 Il modello Standard La teoria che ci aiuta a capire le particelle elementari e chiamata Modello Standard Il modello standard vuole descrivere sia la materia che tutte le forze dell'universo (esclusa la gravità). La sua bellezza consiste nella capacità di spiegare centinaia di particelle e interazioni complesse con poche particelle e interazioni fondamentali. Alto potere predittivo Confutabile Incompleto

10 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino10 Il modello Standard Idea chiave: Ci sono due generi di particelle: particelle che sono materia (i quark ed i leptoni) particelle che mediano le forze (ogni tipo di interazione fondamentale agisce "mediante" una particella mediatrice di forza) In seguito la gravita` viene inclusa nella discussione anche se in realta non appartiene al modello standard.

11 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino11 u d c s t b e e Carica elettrica +2/3 -1/3 0 quark leptoni piu pesante I mediatori: g gluoni (8) fotone W +,W -, Z bosoni gravitone Il Modello Standard: le particelle Fondamentali: queste particelle sono ritenute senza struttura interna (anche se non e` esclusa) 3 generazioni

12 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino12 Le particelle elementari interagiscono tra loro tramite messaggeri, Le forze che conosciamo in natura sono: Forza gravitazionale : Forza elettromagnetica: tiene uniti i protoni e i neutroni nel nucleo anche se di carica uguale e tiene uniti i quark messaggero: gluone Forza debole: radioattività, attività solare … messaggeri: W e la Z Caduta dei corpi, moto stellare… messaggero: gravitone magneti, atomi, chimica… messaggero: fotone Forza forte: Il Modello Standard: le forze

13 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino13 Il Modello Standard: materia ed antimateria Il Modello Standard prevede che per ogni particella di materia ci sia la sua anti-particella. - i mediatori non hanno le antiparticelle: non esistono gli anti-gluoni o gli anti- fotoni! - le anti-particelle hanno cariche opposte a quelle delle particelle - se una particella e la sua anti-particella si incontrano si annichilano

14 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino14 Le forze ed i messaggeri E importante sottolineare che nel Modello Standard le forze agiscono perche sono trasmesse da una particella. Non esistono forze a distanza ma affinche una forza agisca il suo messaggero deve andare da una particella ad unaltra. + + Spostati, mi manda uno della tua stessa carica

15 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino15 Le forze e le cariche ForzaAccoppiamentoQuantita ElettromagneticaCarica elettrica1 ForteColore 3 (rosso, blu, verde) GravitaMassa1 I messaggeri delle forze si accoppiano a qualita specifiche delle particelle chiamate cariche Nota: la carica elettrica e una sola, che puo` essere positiva o negativa. Per il colore le cariche sono 3 ed anche loro possono essere positive o negative.

16 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino16 Le forze non agiscono su tutte le particelle

17 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino17 La forza di colore La forza di colore e molto diversa dalle altre Ci sono 3 cariche (3 colori): Lo scambio di un gluone puo` cambiare il colore del quark. I gluoni sono colorati, cioe sono carichi, e quindi interagiscono tra di loro g

18 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino18 Interazione di colore Nota: Linterazione cambia il colore dei quark (non sempre) mentre i fotoni non cambiano il valore di una carica I gluoni hanno carica, mentre il fotone e neutro. Ci sono 8 gluoni, ciascuno porta una unita di colore ed una unita` di anti- colore: RR, GG, BB, BG…

19 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino19 Il fatto che i gluoni interagiscono fra di loro rende la forza forte completamente diversa dalle altre: aumenta con la distanza! Due particelle colorate non possano essere separate: piu` le si allontana e piu` la forza aumenta fino a che nelle linee di forza ce cosi tanta energia che altre particelle vengono create Le forza di colore (cont-) Non si puo` avere una carica di colore libera e quindi tutte le particelle libere devono essere bianche

20 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino20 Le forze in natura sono molto diverse tra loro. Vediamo degli esempi di sistemi legati : Le forze attrattive e repulsive particella - particella particella- particella- particella particella - antiparticella ElettromagneticaNo Si ForteNoSi GravitaSi

21 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino21 Nel Modello Standard ogni interazione puo` essere descritta in termini di un diagramma e di un numero, la costante di accoppiamento, che descrive quanto quel vertice sia probabile I diagrammi delle forze gravita

22 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino22 La somma dei diagrammi permessi generano delle leggi di conservazione. 1.Energia 2.Momento 3.Momento angolare 4.Carica elettrica 5.Carica di colore (quark e gluoni) 6.Numero di quark (numero di quark meno gli antiquark) 7.Numero elettronico (numero di elettroni piu numero di neutrini elettronici meno il numero delle loro antiparticelle) 8.Numero muonico 9.Numero tauonico Queste regole sono assolute, tutte le reazioni devono obbedirle. Ci sono altre leggi obbedite solo dalle interazioni forti Leggi di conservazione

23 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino23 Forze: tabella riassuntiva InterazioneMediatoreForzaRaggioVita media EMg1/137Infinito WeakW, Z m StrongG1 10 – 15 m Gravityg Infinito In caso di competizione vince la forza che agisce prima!

24 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino24 Il Modello Standard descrive linterazione tra due particelle, non il comportamento di un sistema complesso quale un atomo. Per spiegare sistemi a multicorpi si usano strumenti diversi che descrivono in modo globale il comportamento di molte particelle. Esempio tipico e la termodinamica: nessuno usa le equazioni del Modello Standard per spiegare il comportamento di un gas: PV = nRT Interazioni tra molte particelle

25 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino25 s e Raggi cosmici c t b I mediatori: g gluoni (8) fotone W +,W -, Z bosoni Si possono produrre in laboratorio u d e La materia di cui siamo fatti e della I generazione Particelle: comuni e rare

26 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino26 quark Einstein: E=mc 2 la massa si può trasformare in energia e viceversa. Attraverso urti tra particelle si possono creare altre particelle: lenergia delle particelle viene trasformata in materia! Come si creano le particelle in laboratorio? protone

27 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino27 Se negli urti si usano particelle ed anti-particelle non solo lenergia del moto e disponibile per creare nuove particelle ma anche la massa delle particelle entranti Anti-materia al lavoro Un quark ed un anti-quark si annichilano e formano nuove particelle

28 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino28 I decadimenti Le particelle piu` pesanti (sia elementari che composte) decadono in particelle piu` leggere e e W I decadimenti avvengono seguendo le regole (per esempio la conservazione della carica) descritte dal Modello Standard

29 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino29 s c t b u d Lo zoo delle particelle: adroni Negli urti si creano centinaia di particelle che sono in realta` stati legati: Barioni (qqq): p,n Mesoni (q-anti q):

30 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino30 Simmetrie nella fisica delle particelle Le particelle prodotte negli urti possono essere catalogate in famiglie: evidenza di sottostruttura! Queste simmetrie sono state usate per predire particelle mancanti K0K0 K+K+ π+π+ ¯K0¯K0 K-K- Π-Π- π 0 ; η S= -1 S= 1 Q=0 Q=1 Q=-1 S= 0

31 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino31 Simmetrie (cont-) Le simmetrie sono anche una guida nella ricerca di nuovi fenomeni. La scoperta dei quark ne e unesempio: s u d Situazione iniziale: t 1995 ! c 1974 b 1977

32 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino32 Due grandi gruppi: fermioni e bosoni Il valore dello spin determina differenze fondamentali tra le particelle. Se lo spin e intero allore le particelle sono bosoni, altrimenti fermioni

33 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino33 Fermioni e Bosoni I fermioni rispettano il Principio di esclusione di Pauli: Non possono esistere nello stesso posto nello stesso tempo due particelle nello stesso stato (identico spin, identica carica di colore, identico momento angolare, etc.) I fermioni sono come noi (non ci possiamo sedere in un posto al cinema gia occupato) mentre le particelle sorprendenti sono i bosoni per cui ce sempre posto al ristorante… Un camion porta-bosoni:

34 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino34 Fermioni e Bosoni (cont-) Effetti fermionici: I livelli energetici degli elettroni negli atomi (gli orbitali) si popolano perche gli elettroni (che sono fermioni) non possono stare tutti nel livello piu` basso Effetti bosonici: Il laser, sovrapposizione coerente di fotoni, puo` capitare solo perche i fotoni sono bosoni

35 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino35 Come si studiano le particelle elementari? Le particelle si studiano misurandone: la massa la carica la vita media lo spin (la velocita di rotazione) gli stati eccitati Gli adroni (fatti da quark) si catalogano a seconda della loro composizione interna e momento angolare. Sono stati trovati piu` di duecento adroni. Purtroppo ultimamente non si sono piu` trovate particelle inaspettate…

36 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino36 Stati eccitati delle particelle elementari Cosi come e capitato per latomo lo studio dei livelli eccitati di una particella e di grande aiuto per capirne la sua dinamica interna. Consideriamo la particella J/Psi, stato legato formato dal quark c – antiquark c: Lo studio di questi livelli aiuta la comprensione della teoria del colore.

37 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino37 Come si calcola un processo nel Modello Standard? Il primo passo per calcolare un processo e scrivere il diagramma di Feynman corrispondente. Dopodiche si calcolano i termini. Vediamo degli esempi di diagrammi: Decadimento del neutroneDecadimento del pione Ogni vertice e linea interna ha una certa probabilita.

38 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino38 Da dove viene la massa delle particelle composte (adroni)? Il protone e composto da 3 quark: uud La somma delle masse dei quark uud e molto piu` piccola dalla massa del protone: La differenza di massa e dovuta alle interazioni tra i quark. Anche se in teoria si sanno calcolare queste interazioni, in pratica non si riescono ad ottenere le masse degli adroni.

39 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino39 Le particelle forza Massa g gluoni (8) 0 fotone 0 W +,W -, Z bosoni 80/90 GeV u d c s t b e e Massa (GeV) ~0.001 ~1.5 ~180 ~0.001 ~0.1 ~4.5 ~0. ~0. ~0. ~ ~0.100 ~1.7 Il modello standard non predice le masse delle particelle. I valori delle masse sono stati misurati sperimentalmente Da dove viene la massa delle particelle fondamentali?

40 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino40 La massa delle particelle fondamentali Colpiamo con la forza di un Newton due palle di massa molto piccola, una quasi liscia ed una rugosa, posate su di un tappeto soffice. Ne misuriamo laccelerazione: a = 1 m/s 2 a = 0.5 m/s 2 1 N Calcoliamone la massa assumendo che non ci sia attrito: = 1 Kg = 2 Kg Assunzione sbagliata Risposta sbagliata

41 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino41 La massa (cont-) Trasportiamo questesempio alle particelle elementari. Consideriam il quark top e lelettrone: Il quark top pesa circa volte piu` dellelettrone. Nel modello standard entrambe hanno massa nulla! Sembrano che abbiano massa perche` si muovono (con fatica) interagendo con il campo di Higgs Elettrone Top Campo di Higgs

42 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino42 La massa (cont -) Idea chiave: Nel Modello Standard le particelle non hanno massa. La massa e una proprieta che viene acquisita attraverso linterazione con il bosone di Higgs: sembrano avere massa perche` interagiscono con il bosone di Higgs e diventano piu` difficili da spostare.

43 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino43 La domanda attuale: esiste il Bosone di Higgs ? Al momento non abbiamo nessuna evidenza sperimentale dellesistenza del bosone di Higgs….. E possibile che la teoria sia giusta e che il bosone di Higgs venga misurato ad LHC, la prossima macchina in costruzione al CERN di Ginevra. E anche possibile che la teoria non sia giusta e che non si trovi niente.

44 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino44 Problema ulteriore Supponiamo di trovare il bosone di Higgs: straordinario successo della teoria, finalmente sappiamo perche` abbiamo massa (anche troppa): Bosone di Higgs dieta Domanda: perche lelettrone si accoppia meno del quark top con il bosone di Higgs ed e quindi piu` leggero? Tristemente non abbiamo una risposta a una domanda cosi` ovvia

45 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino45 Ulteriori problemi Nel Modello Standard ci sono molte altre cose che non capiamo Per esempio: Perche le generazioni sono 3? Ce una sottostruttura? Perche le masse sono quelle che sono? Dove finita lantimateria creata nel Big-Bang? Dove la mettiamo la gravita? La soluzione a questi ed altri problemi non la si sa. La possibilita piu` accettata al momento e che il Modello Standard sia solo una parte di una teoria piu` grande chiamata la Supersimmetria

46 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino46 La Supersimmetria La Supersimmetria risolve molti problemi teorici ed introduce per ogni particella nota un compagno supersimmetrico Putroppo fino ad adesso nessuna particella supersimmetrica e stata trovata…..

47 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino47 Grande unificazione Il sogno finale e di avere ununico modello che spiega tutto. Queste teorie vengono chiamate GUT, Teorie di Grande Unificazione. Il primo passo e stato fatto… Direzione della ricerca Livello attuale

48 Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino48 Conclusioni La fisca delle particelle e in un momento di transizione: Si e dimostrata la validita del Modello Standard ma sappiamo che e solo unapprossimazione Tutte le ricerche di effetti non inclusi nel Modello Standard si sono rivelate infruttuose Il prossimo acceleratore, quasi pronto al CERN, potrebbe portare moltissime novita` Mandateci tanti studenti bravi…..


Scaricare ppt "Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino1 Le particelle elementari Masterclass Europea in Fisica delle Particelle Elementari Teachers day."

Presentazioni simili


Annunci Google