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Planetario Milano - 20/11/2012 1 Marco G. Giammarchi Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Via Celoria 16 – 20133 Milano (Italy)

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Presentazione sul tema: "Planetario Milano - 20/11/2012 1 Marco G. Giammarchi Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Via Celoria 16 – 20133 Milano (Italy)"— Transcript della presentazione:

1 Planetario Milano - 20/11/ Marco G. Giammarchi Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Via Celoria 16 – Milano (Italy) Outline: 1.Le Particelle fondamentali 2. Le Forze fondamentali 3. LUniverso a particelle 4.Il Modello Standard ( M. Fanti, 22/11/2012) Cosmo e Particelle (Introduzione alla scoperta del Bosone di Higgs)

2 Planetario Milano - 20/11/ Cosa abbiamo imparato (a scuola) ? Materia: composta da costituenti fondamentali: Molecole, Atomi, Nuclei 1. Le Particelle fondamentali Ossigeno Idrogeno Molecole: costituenti della materia Ipotizzate per comprendere la Chimica Leggi di Dalton e di Avogadro ( ) Dimostrazione sperimentale finale: Perrin (1911)

3 Planetario Milano - 20/11/ A loro volta le Molecole sono composte da Atomi Atomo = Nucleo, Elettroni Diversi tipi di atomi: La Tavola Periodica Nucleo = Protoni, Neutroni LElettrone: una particella davvero elementare

4 Planetario Milano - 20/11/ Parmenides (circa 500 AC), Zenon (circa 490 – 430 AC): lesperienza della molteplicità è negabile. La materia è divisibile e suddivisa allinfinito. La divisione infinita della estensione fornisce come risultato zero, il niente, e quindi la molteplicità in cui consiste lestensione corporea non esiste, è opinione illusoria. Demokritos (circa 460 – 370 AC): lesperienza della molteplicità è innegabile La materia è suddivisa ma non allinfinito. A-tomos, indivisibile. Venne introdotto per fermare il processo di riduzione al nulla dellestensione spaziale (Parmenide, Zenone). Latomo è il punto in cui tale processo si ferma. Il senso in cui tutto ciò era inteso è diverso dal senso moderno di scienza. La Fisica delle Particelle come scienza moderna inizia nel 1930 circa.

5 Planetario Milano - 20/11/ quark PROTONE A loro volta i protoni e i neutroni sono composti da: I quark (costituenti un protone o un neutrone) sono particelle elementari Le particelle elementari sono quelle che costituiscono tutte le altre e che non hanno una loro struttura interna. Sono i mattoni costruttivi dellUniverso

6 Planetario Milano - 20/11/ Costituenti fondamentali della materia: Quark e Leptoni Hanno spin e carica ben definiti Sono elementari al meglio di m Costituiscono la materia in condizioni ordinarie Costituiscono le particelle instabili MassaMassa Materia ordinaria Decadono in particelle stabili

7 Planetario Milano - 20/11/ Come si studiano le particelle elementari? Ad esempio in esperimenti con acceleratori di particelle. Tunnel di LHC, CERN (Ginevra) Ricetta: prendere particelle cariche accelerarle con sistemi elettrici e magnetici (acceleratori) farle urtare tra loro Nei grandi laboratori sistemi complessi di acceleratori portano particelle a energie elevatissime Negli urti tra queste particelle, altre particelle vengono prodotte. Massa si trasforma in energia e viceversa

8 Planetario Milano - 20/11/ Esperimenti su particelle ai grandi acceleratori: CMS al CERN di Ginevra CDF al Fermilab (Chicago) Sistemi complessi composti da rivelatori specializzati ATLAS al CERN di Ginevra

9 Planetario Milano - 20/11/ Le particelle elementari, urtandosi tra di loro, creano altre particelle Continua trasformazione di energia in massa e viceversa

10 Planetario Milano - 20/11/ Le Interazioni fondamentali Latomo di Idrogeno (deuterio) Quarks, elettroni, fotoni come particelle fondamentali nellatomo m m Quali sono le forze che tengono insieme gli atomi e i nuclei ? I quark stanno insieme nel nucleo Il nucleo e gli elettroni sono legati tra loro

11 Planetario Milano - 20/11/ Le forze fondamentali in natura Gravità Elettromagnetismo Forza nucleare forte Forza nucleare debole Idea guida: spiegare tutti i fenomeni fondamentali con queste interazioni 11

12 Planetario Milano - 20/11/ In fisica quantistica Scambio di quanti Il concetto di forza In fisica classica: Azione istantanea a distanza Campo (Faraday, Maxwell)

13 Planetario Milano - 20/11/ Elettromagnetismo Responsabile del legame tra particelle cariche:ad esempio la stabilita atomica Costante di accoppiamento: carica elettrica Raggio di azione della forza: infinito La teoria classica: equazioni di Maxwell (1861) F: Tensore campo elettromagnetico J: 4-corrente Riguarda tutte le particelle dotate di carica elettrica (quark, leptoni, W) 13

14 Planetario Milano - 20/11/ Gravità Responsabile del legame tra corpi macroscopici Potenziale gravitazionaleDensita di massa Tensore di EinsteinCostante cosmologicaTensore Energia-Momento Teoria di campo classica (Newton, 1687) per le masse. Teoria di campo geometrizzata (Einstein, 1915) Relativita Generale Il principio di equivalenza tra massa inerziale e massa (carica) gravitazionale ha permesso di considerare la gravita come una proprieta del background spaziotemporale) Tensore Metrico Lontano da masse/energie (spaziotempo piatto) Riguarda tutte le forme di energia (tra cui la massa) dellUniverso 14

15 Planetario Milano - 20/11/ Forza Nucleare Debole Riguarda quark e leptoni (portatori di una carica debole) Di norma il processo Debole e trascurabile perche processi Elettromagnetici e Nucleari Forti hanno il sopravvento. I processi Deboli sono invece la norma quando: Vengono violate leggi di conservazione (conservate nelle interazioni EM o Forti) Intervengono particelle non cariche e/o prive di Interazione Forte Interazioni deboli a corrente carica: decadimento beta dei nuclei: (a livello di nuclei) (a livello del neutrone libero) (a livello dei costituenti fondamentali)

16 Planetario Milano - 20/11/ Planetario di Milano - 21 Febbraio La Forza Nucleare Debole ha un ruolo importante nelle reazioni di fusione che avvengono allinterno del Sole

17 Planetario Milano - 20/11/ Planetario di Milano - 21 Febbraio ,77% p + p d+ e + + e 0,23% p + e - + p d + e 3 He+ 3 He +2p 3 He+p +e + + e ~ %84,7% 13,8% 0,02%13,78% 3 He + 4 He 7 Be + 7 Be + e - 7 Li + e 7 Be + p 8 B + d + p 3 He + 7 Li + p -> + 8 B 8 Be*+ e + + e 2 Reazioni nucleari nel Sole: il ciclo pp

18 Planetario Milano - 20/11/ Forza Nucleare Forte Agisce tra i quark che costituiscono gli adroni Responsabile della stabilità degli adroni (barioni, mesoni) Mediata dai GLUONI Si attribuisce ai quark una carica (il colore) 18 PROTONE NEUTRONE Mediata dai GLUONI

19 Planetario Milano - 20/11/ Le Interazioni Fondamentali GravitàElettro magnetismo DeboleForte GravitoneFotoneW,Z 8 Gluoni Spin2111 Massa0082,91 GeV0 Range m m SourceMassElectric chargeWeak chargeColor Coupling Constant (proton) / GeV Cross Section cm cm cm 2 Lifetime for decay s10 -8 s s 19

20 Planetario Milano - 20/11/ LUniverso a particelle Lo schema con cui si descrive la nascita e levoluzione dellUniverso è quello del BIG BANG CALDO La creazione di Adamo – Michelangelo Buonarroti (1511). (Musei Vaticani - La Cappella Sistina)

21 Planetario Milano - 20/11/ Planetario di Milano - 27 Ottobre Il modello del Big Bang: 1)Il red-shift (espansione cosmica) 2)La nucleosintesi primordiale 3)La radiazione cosmica di fondo 4)La Relatività Generale 5)LInflazione Osservazioni sperimentali Teoria della Gravitazione Se lUniverso è in espansione, nei primi istanti ci si doveva trovare in una situazione di densità altissima, temperatura altissima, energia/particella altissima

22 Planetario Milano - 20/11/ Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 Una storia termica delluniverso Particelle/Antiparticelle libere

23 Planetario Milano - 20/11/ Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 Una storia termica delluniverso Particelle/Antiparticelle libere Queste reazioni creano e distruggono particelle/antiparti celle in ugual numero Quando lenergia scende non è più possibile creare coppie particella/antiparticella. Invece tali coppie si possono distruggere:

24 Planetario Milano - 20/11/ Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 Una storia termica delluniverso Particelle/Antiparticelle libere Reazioni di questo tipo dovrebbero aver mantenuto uguale il numero di particelle e antiparticelle Al diminuire di T solo la 1 resta possibile e tutte le particelle/antiparticelle si annichilano in energia

25 Planetario Milano - 20/11/ Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 Ma lUniverso non è vuoto. Contiene MATERIA e non ANTIMATERIA ! Un processo fisico ha alterato il rapporto tra materia e antimateria nei primi istanti, creando un poco (pochissimo) di materia in più

26 Planetario Milano - 20/11/ Affinche sia possibile creare/distruggere particelle elementari, occorre fornire energia concentrata in dimensioni piccolissime. Questo avviene negli acceleratori di particelle terrestri. O negli acceleratori cosmici. Acceleratore di particelle Pulsar Acceleratori terrestri e cosmici

27 Planetario Milano - 20/11/ Tra gli acceleratori galattici piu efficienti…. I Nuclei Galattici Attivi (AGNs) Un AGN puo accelerare particelle che attraversano milioni di anni luce di spazio (che e quasi vuoto) Le particelle accelerate dagli AGN possono raggiungere il Sistema Solare e la Terra. e possono interagire nellatmosfera. Sono i Raggi Cosmici

28 Planetario Milano - 20/11/ Modello Standard Una discussione introduttiva Il Modello Standard e una descrizione fisica delle particelle elementari e delle interazioni che avvengono tra di loro Si tratta di una delle piu grandi conquiste concettuali del secolo scorso, frutto dello sforzo teorico e sperimentale di migliaia di fisici Il Modello Standard descrive i costituenti elementari e in modo rigoroso ed essenzialmente completo (ed unificato) linterazione elettromagnetica e debole. In modo rigoroso ma non ancora completo anche le interazioni forti Il Modello Standard descrive particelle che sono state tutte osservate sperimentalmente (il più recente: IL BOSONE DI HIGGS)

29 Planetario Milano - 20/11/ Le Interazioni Fondamentali GravitàElettro magnetismo DeboleForte GravitoneFotoneW,Z 8 Gluoni Spin2111 Massa0082,91 GeV0 Range m m SourceMassElectric chargeWeak chargeColor Coupling Constant (proton) / GeV Cross Section cm cm cm 2 Lifetime for decay s10 -8 s s 29

30 Planetario Milano - 20/11/ Portatori di forza Costituenti della materia 3 famiglie Proprietà dei costituenti: Quark: carica elettrica colore massa efficace spin (1/2) Leptoni: carica elettrica massa spin (1/2) Tutti i costituenti (Quark, Leptoni) sono Fermioni. IMPORTANTE:

31 Planetario Milano - 20/11/ Nel Modello Standard la funzione (di Lagrange) si potrebbe scrivere come : CostituentiInterazioni tra i costituenti In questo modo le masse dei costituenti scritte in modo esplicito nella funzione di Lagrange del Modello Standard …..MA questa Lagrangiana è non rinormalizzabile (non trattabile matematicamente) !!

32 Planetario Milano - 20/11/ Il Meccanismo di Higgs è stato proposto per introdurre le masse dei costituenti fondamentali (e del W,Z) in modo che la teoria fosse trattabile. Potenziale di Higgs Questo termine è in grado di generare masse senza violare le proprietà di rinormalizzabilità della teoria. Se il meccanismo di generazione delle masse è quello ipotizzato da Peter Higgs (e Brout, Englert, Kibble, Guralnik, Hagen) nel 1964, allora si deve osservare una particella a spin 0 (bosone) del tutto nuova.

33 Planetario Milano - 20/11/ Interazioni del Bosone di Higgs con le altre particelle della teoria La ricerca del Bosone di Higgs iniziò (al Fermilab e) al CERN negli anni 90

34 Planetario Milano - 20/11/ Tutte le particelle del Modello Standard sono state osservate e tre delle quattro interazioni fondamentali vengono descritte in un quadro unificato e coerente. La scoperta del Bosone di Higgs (2012) lipotesi teorica viene confermata sperimentalmente 48 anni dopo la sua formulazione ! Un successo epocale per la Fisica delle Particelle (Giovedì, stessa ora, stesso posto. Uno dei protagonisti di questa scoperta ce la racconterà in dettaglio)

35 Planetario Milano - 20/11/ un altro capitolo della comprensione di infinitamente piccolo e infinitamente grande Grazie della vostra attenzione


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