La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

La fisica delle particelle a cura della prof.ssa Rosanna Garello.

Presentazioni simili


Presentazione sul tema: "La fisica delle particelle a cura della prof.ssa Rosanna Garello."— Transcript della presentazione:

1

2 La fisica delle particelle a cura della prof.ssa Rosanna Garello

3 Modello Standard PARTICELLE MEDIATRICI Materia ed energia COSTITUENTI FORZE LEPTONIQUARK

4

5 LEPTONI : PARTICELLE LEGGERE (ad eccezione della particella che ha massa circa 2 volte quella del protone ) sono: lELETTRONE, il MUONE, il TAU e i corrispondenti NEUTRINI: hanno spin = 1/2 e quindi sono fermioni, sono particelle stabili o che decadono in tempi lunghi, sono prive di carica o dotate di carica unitaria. ELETTRONEMUONETAU NEUTRINO ELETTRONICO NEUTRINO MUONICO NEUTRINO TAU

6 Le molecole sono costituite da atomi, atomo significa indivisibile, (così si credeva sino allinizio del 900), invece è a sua volta formato dal nucleo e da elettroni che orbitano intorno. Il nucleo risulta costituito di protoni e neutroni, che non sono le particelle più elementari, ma risultano entrambe formate da particelle più piccole: i quark. Atomo di carbonioNucleo di carbonio e neutroni Diamante Cristallo puro di carbonio

7 Esistono 6 tipi di quark aventi tutti SPIN ( momento angolare ) uguale a 1/2:SPIN u ( up : spin verso lalto e carica elettrica = + 2/3 e) d ( down : spin verso il basso e carica elettrica = - 1/3 e ) s ( strange : strano e carica elettrica = - 1/3 e ) c ( charme: incanto e carica elettrica = + 2/3 e ) b ( bottom: basso e carica elettrica = - 1/3 e ) t ( top: alto e carica elettrica = + 2/3 e ) protone u d u neutrone dd u 1 protone = 2 up + 1 down1 neutrone = 2 down + 1 up

8 QUARK: UP, DOWN, CHARME, STRANGE, TOP, BOTTOM sono particelle prive di struttura interna, ma sono dotate di massa variabile, sono caratterizzati dal fatto di avere una carica elettrica frazionaria rispetto a quella dellelettrone, hanno spin = 1/2 e quindi sono fermioni UPCHARMTOP DOWNSTRANGEBOTTOM

9 sono le particelle che vengono scambiate nelle interazioni fra le particelle di materia Infatti le quattro forze fondamentali: Gravitazionale, Elettromagnetica, Forte e Debole sono mediate da queste particelle - forza diverse dalle particelle - materia. Esse vivono per un tempo brevissimo, quanto basta per trasmettere linformazione da una particella di materia ad unaltra.. Hanno spin intero o nullo, quindi sono bosoni e non sono soggette al Principio di esclusione di Pauli. Le particelle mediatrici fino ad ora conosciute sono le seguenti: GravitazionaleElettromagneticaForteDebolebosoni FORZE PARTICELLE MEDIATRICI ( o particelle di campo ) FOTONIGLUONIBOSONE WBOSONE Z Si ricerca nei laboratori il gravitone, previsto teoricamente, ma non ancora ottenuto sperimentalmente.

10 Quadro delle particelle forza

11

12 LINTERAZIONE GRAVITAZIONALE La forza di gravità agisce fra tutte le particelle, essa fa in modo che ogni parte di materia sia attratta dal resto e costituisce la forza di legame del sistema solare. Ciò nonostante fra particelle singole essa è talmente debole da poter essere generalmente trascurata. È una forza attrattiva e la sua intensità risulta direttamente proporzionale al prodotto delle masse e inversamente proporzionale al quadrato della distanza Essa è mediata dal bosone detto gravitone, particella ad oggi non ancora osservata.

13 LINTERAZIONE ELETTROMAGNETICA La forza elettromagnetica agisce solo fra le particelle dotate di carica elettrica, ad esempio mantiene la nube di elettroni carichi negativamente attorno ai protoni positivi presenti nel nucleo, assicurando la coesione dellatomo. È una forza attrattiva o repulsiva a seconda del segno delle cariche e la sua intensità risulta direttamente proporzionale al prodotto delle cariche e inversamente proporzionale al quadrato della distanza. Essa è mediata dal fotone, particella la cui massa dipende in modo inversamente proporzionale dal raggio di azione. Poiché ha massa nulla il fotone ha uninterazione di raggio infinito.

14 LINTERAZIONE FORTE ( NUCLEARE) La forza nucleare ha un raggio di azione piuttosto limitato ( m ) oltre il quale diventa trascurabile. Nei nuclei relativamente piccoli i nucleoni ( protoni e neutroni ) anche i più lontani si trovano ad una distanza minore del raggio dazione della forza nucleare. Al contrario nei nuclei più grossi i nucleoni più esterni hanno distanze reciproche superiori al raggio dazione dellinterazione forte per cui la forza repulsiva coulombiana, che tende a disgregare il nucleo, diventa circa dello stesso ordine di grandezza dellattrazione nucleare. In queste condizioni cè la probabilità di superare il limite di stabilità del nucleo con conseguente emissione spontanea di particelle (decadimento). Questo fenomeno si chiama radioattività e si verifica per quegli elementi che hanno numero atomico Z > 80.decadimento La forza nucleare utilizza un bosone detto gluone che come il fotone ha carica e massa nulla.

15 LINTERAZIONE DEBOLE La forza debole interviene nella frammentazione o decadimento del neutrone ( decadimento beta ) che si trasforma in un protone, secondo la reazione:decadimento beta neutrone protone + elettrone + antineutrino elettronico con lemissione dei bosoni W e Z scoperti da Rubbia e Van Der Meer nel 1983.

16 Essa è di volte più debole della forza forte, ma diventa meno debole ad energie più elevate.. Gli esperimenti condotti al CERN hanno confermato che la forza debole e la forza elettromagnetica sono due manifestazioni di ununica forza fondamentale elettro-debole responsabile della corrente neutra. Scoperta della corrente neutra

17 Il decadimento radioattivo Dal nucleo può essere emesso: un nucleo di elio decadimento decadimento un elettrone decadimento decadimento una radiazione elettromagnetica ad alta frequenza decadimento decadimento La seguente foto mostra il diverso tipo di penetrazione dei tre fasci di particelle, e. Schema decadimenti e

18 Decadimento Questo tipo di decadimento consiste nellemissione spontanea da parte di un nucleo di una particella e si verifica solo: 1) per nuclei aventi grande numero atomico Z > 83. Quando un nucleo emette una particella sia il numero atomico Z di protoni che il numero N di neutroni diminuisce di 2 unità. 2) quando la massa del nucleo originario è maggiore della somma delle masse della particella e del nuovo nucleo discendente, spesso a sua volta instabile. In tale decadimento si ha un difetto di massa,cioè la massa totale dei prodotti del decadimento è inferiore alla massa del nucleo originario, ma si ha emissione di energia che si trasforma in energia cinetica della stessa particella e del nucleo discendente.

19 Decadimento Questo tipo di decadimento consiste nellemissione spontanea da parte di un nucleo di una particella e si verifica solo per nuclei nei quali il numero di neutroni N differisce dal valore ottimale di stabilità. Quando un nucleo emette una particella il numero atomico Z di protoni aumenta o diminuisce di 1 unità, mentre il numero di massa A resta invariato. È importante notare che quando un neutrone decade in un protone ed un elettrone + un antineutrino questi prodotti vengono creati nel momento in cui avviene il decadimento allo stesso modo in cui un fotone viene creato quando un elettrone passa da uno stato energetico ad un altro di energia inferiore. INTERAZIONE DEBOLE

20 Decadimento Quando un nucleo si trova in uno stato eccitato decade in uno stato cui compete unenergia inferiore emettendo un fotone ad alta energia ( qualche MeV cioè milioni di elettronvolt ). Durante il decadimento non si ha variazione né del numero atomico Z né del numero di massa A dal momento che i raggi sono radiazioni elettromagnetiche. Questa emissione generalmente accompagna i decadimenti e,perché a seguito di tali processi il nucleo viene a trovarsi in una situazione di instabilità energetica per cui tende verso una condizione di stabilità che viene raggiunta con lemissione di raggi.

21

22 LANTIMATERIA Dato che ad ogni particella elementare corrisponde unantiparticella, cioè una particella avente la stessa massa, lo stesso spin e la stessa carica, ma di segno opposto, si può pensare di costruire una materia complessa in cui ad ogni particella della materia conosciuta si sostituisce la corrispondente antiparticella con proprietà del tutto simile a quella della materia ordinaria. Quando una particella ed unantiparticella si incontrano annichiliscono, liberando una quantità enorme di energia. Non è facile realizzare antimateria complessa perché non deve entrare in contatto con la materia ordinaria. Antiidrogeno

23 Lantimateria è una predizione teorica di Dirac in quanto, partendo dallequazione di Einstein relativa allinvariante energia – impulso: E 2 = p 2 c 2 + m 0 2 c 4 osservò che per ricavare lenergia si deve estrarre la radice quadrata di entrambi i membri e i risultati possibili dal punto di vista algebrico sono un valore positivo e uno negativo. Fino a quel momento si era sempre scartata la soluzione negativa perché priva apparentemente di significato fisico, mentre Dirac deduce da essa lesistenza teorica di particelle con energia negativa. Nel 1932 si ha una prima conferma sperimentale: utilizzando la camera a nebbia di Wilson, facendo interagire i fotoni con una lastra di piombo si generano elettroni e positroni, lantiparticelle dellelettrone. Nel 1955 si ottiene lantiprotone. Nel 1956 si ottiene lantineutrone. Per ottenere le particelle di antimateria occorre molta energia oppure si possono ricavare dalle radiazioni cosmiche. Ad esempio il sodio 23 è una sorgente spontanea di positroni. Schema trappola dellantiprotone

24 Una volta generate le antiparticelle occorre intrappolarle e a questo scopo si utilizzano campi elettrici e magnetici, se le particelle sono elettriche si ha difficoltà a misurare le caratteristiche perché le forze elettriche sono miliardi di volte superiori a quelle gravitazionali. Si sperimenta meglio con gli atomi perché sono neutri. Per generare atomi di antiidrogeno occorrono 10 9 eV, cioè energie molto grandi, si pensi che le energie in gioco nella nostra vita quotidiana sono dellordine di qualche elettronvolt, poi si devono raffreddare e riportare ad energie molto basse dellordine 10 6 eV, mediante i deceleratori. Le trappole sono studiate in modo da raffreddare ulteriormente le particelle di antimateria fino a 10 2 eV, quando un positrone e un antiprotone si incontrano si ottiene un atomo di antiidrogeno. I quesiti aperti sono: la luce emessa dallantiidrogeno è identica a quella dellidrogeno ? Con quale accelerazione di gravità cade un atomo di antiidrogeno ? Ci si aspetta che sia diversa da 9,81 m/s 2. Schema produzione dellantiidrogeno

25 Si ritiene che nel momento della nascita dellUniverso, il Big Bang, la materia e lantimateria siano state create in quantità uguali, mentre oggi viviamo in un universo apparentemente fatto interamente di materia. Dovè finita tutta lantimateria ? Un tempo si pensava che lantimateria fosse un riflesso perfetto della materia: sostituendo la materia con lantimateria e guardando al risultato in uno specchio non ci si sarebbe accorti della differenza. Oggi sappiamo che quel riflesso è imperfetto e che proprio questo difetto è forse allorigine dello squilibrio fra materia e antimateria.

26 Tutte le particelle-materia e tutte le particelle-forza se fossero in uno spazio assolutamente vuoto avrebbero massa nulla e quindi si muoverebbero alla velocità della luce, invece alcune sono dotate di massa come gli elettroni, i muoni, i quark, altre no come i fotoni e i gluoni. Come si spiega la differenza delle masse ? Il modello Standard potrebbe avere la risposta in quello che è noto come il meccanismo di HIGGS secondo cui tutto lo spazio sarebbe riempito da un campo di Higgs che dà massa a tutte le particelle che interagiscono con esso con una sua specifica intensità, tranne ai fotoni, ai gluoni e ai gravitoni che con tale campo non interagiscono. Se lipotesi è corretta devono esistere i quanti del campo scalare cioè nuove particelle forza dotate di massa dette particelle di Higgs. Con LHC si potrà veder se questa nuova particella esiste. Il campo di HIGGS


Scaricare ppt "La fisica delle particelle a cura della prof.ssa Rosanna Garello."

Presentazioni simili


Annunci Google