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9/3/2005Master Roma Tre1 Il Modello Standard Domizia Orestano Università Roma Tre Master Classes 9/3/2005.

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1 9/3/2005Master Roma Tre1 Il Modello Standard Domizia Orestano Università Roma Tre Master Classes 9/3/2005

2 9/3/2005Master Roma Tre2 Sommario La ricerca dei costituenti elementari della materia Tre famiglie di mattoni elementari Quattro forze fondamentali: mediatori e cariche Lantimateria e lannichilazione materia- antimateria Decadimenti (Z 0 e

3 9/3/2005Master Roma Tre3 Gli atomi John DALTON ( ) per spiegare le osservazioni sul comportamento dei gas formula lipotesi che gli elementi siano composti di particelle indivisibili: gli atomi. Dimitri MENDELEÏEV ( ) organizza tutti gli elementi allora noti in uno schema che mette in evidenza la periodicità delle loro proprietà. Lesistenza di una simmetria è un indicatore di una possibile struttura interna!

4 9/3/2005Master Roma Tre4 La struttura atomica : scoperta dei raggi X (W.Roentgen) scoperta della radioattività naturale (P.&M. Curie, H.Becquerel) scoperta dellelettrone (J.J.Thomson) Latomo non è indivisibile! Il modello atomico di Thomson: Un numero Z di elettroni Una distribuzione continua di cariche positive Lesperimento di Rutherford: ?

5 9/3/2005Master Roma Tre5 Il modello atomico di Bohr Latomo e` in gran parte vuoto: in un modello in scala in cui il nucleo è un pallone da calcio, gli elettroni si muovono sulla parte piu` lontana delle tribune NB: Se il Colosseo fosse pieno, misurerebbe… 18 mm !!!! Un nucleo carico positivamente (+Ze) in cui si concentra praticamente tutta la massa, circondato da una nuvola di Z elettroni.

6 9/3/2005Master Roma Tre6 Il nucleo atomico Esistenza degli isotopi (elementi con lo stesso numero di elettroni ma diversa massa) Problemi con il momento angolare intrinseco (spin) dei nuclei Anche il nucleo è un sistema composto da Z protoni e da (A-Z) neutroni Ma in presenza della sola forza elettromagnetica non potrebbe essere stabile! E tenuto insieme dalla interazione forte.

7 9/3/2005Master Roma Tre7 Una miriade di nuove particelle Dagli anni 30 in poi sono state scoperte tantissime nuove particelle, nelle interazioni dei raggi cosmici e dei fasci prodotti dagli acceleratori Si distinguono due categorie principali Leptoni, che non interagiscono in modo forte Adroni, che risentono della forza forte Gli adroni possono essere classificati in sistemi dotati di simmetrie Anche in questo caso potrebbe esserci una struttura interna!

8 9/3/2005Master Roma Tre8 I mattoni elementari: quark e leptoni Modello a quark introdotto per giustificare le simmetrie osservate. Carica elettrica frazionaria. Tre stati diversi (colori) per ogni quark. Adroni composti da 3 quark o da coppie quark-antiquark. Non si osservano quark liberi: sono confinati allinterno degli adroni Sia per i quark che per i leptoni sono presenti tre famiglie o generazioni apparentemente con le stesse proprietà ad eccezione della massa massa Materia ordinaria

9 9/3/2005Master Roma Tre9 I costituenti della materia taglia in atomitaglia in metri (al max) atomo nucleo nucleone quark/elettrone Lo spazio è quasi completamente vuoto: sono le forze che realizzano la solidità degli oggetti

10 9/3/2005Master Roma Tre10 Le forze o interazioni Linterazione avviene grazie allo scambio di particelle Intensità: Tutte le forze osservate in natura sono riconducibili a 4 interazioni fondamentali Mediate dallo scambio di particelle Responsabili della coesione della materia del suo decadimento

11 9/3/2005Master Roma Tre11 Le cariche Lintensità di una interazione tra particelle dipende dalla costante di accoppiamento (carica) tra queste e la particella mediatrice 3

12 9/3/2005Master Roma Tre12 Ipotesi formulata da DIRAC (1931) Un oggetto con stesse caratteristiche della particella corrispondente ad eccezione della carica elettrica che cambia segno (e dei momenti magnetico ed elettrico) ANDERSON scopre lantiparticella dellelettrone, il positrone, nel 1932 Tutte le particelle hanno unantiparticella (e +, +, n, p…) che in alcuni casi coincide con la particella stessa ( 0, ) Antiparticella

13 9/3/2005Master Roma Tre13 Annichilazione Negli anelli di collisione vengono fatti incontrare fasci di elettroni e di positroni (o di protoni). Linterazione di una particella con la sua antiparticella porta alla loro annichilazione ovvero al trasferimento di tutta la loro massa e la loro energia cinetica ad uno stato virtuale, ed in particolare ad un fotone o ad uno Z 0. A LEP lenergia dei fasci è stata scelta per produrre bosoni Z 0 reali. Dopo un tempo molto breve lo stato virtuale produce nuovamente una coppia particella-antiparticella.

14 9/3/2005Master Roma Tre14 Decadimenti Quasi tutte le particelle elementari sono instabili Decadono in particelle di massa inferiore con tempi caratteristici che dipendono dallinterazione responsabile della disintegrazione Esempio: decadimento del K + in osservazioneinterpretazione

15 9/3/2005Master Roma Tre15 Nel misterioso mondo quantistico in cui vivono le particelle, ogni singola particella Z deve decadere, ma è impossibile sapere in anticipo in quale tipo di particelle decadrà. Tutto ciò che si può dire è che ha una certa probabilità di decadere in un certo tipo di particelle e le frequenze dei diversi tipi di decadimento possono essere calcolate teoricamente nel Modello Standard Una particella Z può decadere in: due elettroni (Z 0 e + + e - ) due muoni (Z ) due particelle tau (Z ) due neutrini (Z 0 + e due quark (Z 0 q + q ) (q=u,d,c,s,b ma non t che è troppo pesante) Decadimenti dello Z 0 ~3,3 % ~20 % ~70 % ~10 % INVISIBILE!

16 9/3/2005Master Roma Tre16 Decadimenti deboli mediati dallo scambio di un bosone W e - + e - h - + n - h - h + h - n (h indica un generico adrone) In un evento Z si hanno 2 che decadono indipendentemente e si possono avere stati finali con 2 elettroni 2 muoni 1 elettrone e 1 muone 1 elettrone e adroni 1 muone e adroni adroni Decadimenti del ~18 % ~49 % ~15 %

17 9/3/2005Master Roma Tre17 3 famiglie Gli esperimenti LEP hanno misurato la probabilità che una Z decadesse producendo particelle visibili nel rivelatore in funzione dellenergia di collisione elettrone-positrone. Le tre linee colorate corrispondono alle previsioni della teoria per 2, 3 e 4 famiglie di particelle. I dati sono in ottimo accordo con la curva per tre famiglie. Se le nostre teorie sono corrette, allora le tre famiglie di particelle che già conosciamo sono già tutto quanto cè da conoscere. Ciò che non ci dice, tuttavia, è perché la natura abbia scelto di fare due copie della famiglia fondamentale di particelle...

18 9/3/2005Master Roma Tre18 e + + e - Z 0 e + + e -

19 9/3/2005Master Roma Tre19 e + + e - Z

20 9/3/2005Master Roma Tre20 e + + e - Z 0 q + q


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