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La fisica delle particelle elementari Un viaggio dentro la materia.

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Presentazione sul tema: "La fisica delle particelle elementari Un viaggio dentro la materia."— Transcript della presentazione:

1 La fisica delle particelle elementari Un viaggio dentro la materia

2 Fin dallantichità la gente si é chiesta: Di cosa é fatto il mondo? e Che cosa lo tiene assieme? Alla fine abbiamo capito che la materia di cui il mondo é composto é costituita da pochi mattoncini fondamentali Con fondamentali intendiamo oggetti che sono semplici e senza struttura, non composti di altri oggetti piu` piccoli Ancora nel 1900 si pensava che gli atomi fossero sfere permeabili con delle cariche elettriche che si muovevano al loro interno Ma latomo é lunità fondamentale?

3 Questo indicava che gli atomi erano composti di mattoni più semplici, che uniti in diverse combinazioni determinavano le proprietà chimiche dellatomo Presto si è capito che atomi diversi potevano essere raggruppati in famiglie caratterizzate da proprietà chimiche simili: nasce la TAVOLA PERIODICA DEGLI ELEMENTI Gli esperimenti che guardavano dentro latomo mostrarono poi come questo fosse formato da un piccolo, ma denso, nucleo positivo e una nuvola di elettroni negativi

4 Ma allora, i protoni e i neutroni sono fondamentali? Poiché il nucleo appariva piccolo, solido e denso, gli scienziati allinizio pensavano fosse fondamentale. Ma poi scoprirono che era fatto di protoni (p), carichi positivamente, e neutroni (n), privi di carica

5 Dopo molti esperimenti gli scienziati ora credono che i quark e gli elettroni (e qualche altra particelle che tra poco vedremo) siano fondamentali I fisici hanno scoperto che i protoni e i neutroni sono composti di particelle ancora più piccole, chiamate quark Per quanto ne sappiamo fino ad ora, i quark non sono fatti di nientaltro: sono FONDAMENTALI

6 Questa è la catena che ha portato i fisici del secolo scorso alla scoperta dellinfinitamente piccolo: ma le particelle sono molte! Ora andremo alla scoperta di alcuni dei più strani oggetti che la natura abbia creato…

7 Facciamo un po di ordine… I fisici hanno sviluppato una teoria chiamata Modello Standard che spiega di cosa il mondo è fatto e cosa lo tiene assieme Il Modello Standard spiega tutte le centinaia di particelle e le complesse interazioni che le legano con una semplice ricetta: 6 quark (che formano le particelle più pesanti, tra cui protone e neutrone) 6 leptoni (particelle più leggere, tra cui lelettrone) Particelle che trasportano le forze (come il fotone) + +

8 sei quarkup/down charm/strangetop/bottom Ci sono sei quark, raggruppati in tre coppie: up/down (su/giù), charm/strange (incanto/strano) e top/bottom (cima/fondo) Quark La maggior parte della materia che ci circonda è fatta di protoni e neutroni, che sono composti di quark quark top venti anni prima Il quark più misterioso, il quark top, fu scoperto nel 1995, mentre la sua esistenza era stata teorizzata venti anni prima! I quark hanno la strana caratteristica di avere carica elettrica frazionaria (diversamente dal protone e dallelettrone che hanno carica +1 e -1)

9 Although individual quarks have fractional electrical charges, they combine such that hadrons have a net integer electric charge. Another property of hadrons is that they have no net color charge even though the quarks themselves carry color charge (we will talk more about this later). There are two classes of hadrons (try putting your mouse on the elephants):...are any hadron which is made of three quarks (qqq). Because they are made of two up quarks and one down quark (uud), protons are baryons. So are neutrons (udd)....contain one quark (q) and one antiquark ( )....contain one quark (q) and one antiquark ( ). Although individual quarks have fractional electrical charges, they combine such that hadrons have a net integer electric charge. Another property of hadrons is that they have no net color charge even though the quarks themselves carry color charge (we will talk more about this later). There are two classes of hadrons (try putting your mouse on the elephants):...are any hadron which is made of three quarks (qqq). Because they are made of two up quarks and one down quark (uud), protons are baryons. So are neutrons (udd)....contain one quark (q) and one antiquark ( )....contain one quark (q) and one antiquark ( ). …che sono fatti di tre quark …che sono fatti di un quark e di un antiquark Anche se i singoli quark hanno carica elettrica frazionaria, si combinano adroni in modo da formare particelle (chiamate adroni) con carica elettrica intera Ci sono due tipi di adroni: Barioni (dal greco=pesanti)Mesoni (dal greco=in mezzo)

10 Leptoni Sono un altra famiglia di particelle di materia, che a differenza dei quark non stanno uniti ma preferiscono vivere da soli… Ci sono sei leptoni, tre con carica elettrica e tre neutri lelettrone Il leptone carico più famoso e lelettrone, che già abbiamo incontrato. muonetau Poi ci sono due elettroni più pesanti, il muone e il tau

11 neutrino Gli altri tre leptoni sono i tre tipi di neutrino. Essi non hanno carica elettrica, sono leggerissimi e difficilissimi da vedere I neutrini sono stati previsti come spiegazione alla massa mancante nel decadimento del neutrone (E. Fermi)

12 Per ogni tipo di particella di materia che abbiamo incontrato finora esiste anche una particella di antimateria, chiamata antiparticella …ma non finisce qui! Le antiparticelle sono uguali alle corrispondenti particelle di materia, ma hanno carica elettrica opposta Quando una particella e la corrispondente antiparticella si scontrano, si annichiliscono in pura energia!

13 Lo scopo dei fisici non è quindi catalogare le particelle (non sono dei botanici!), ma scoprire se esse nascondano delle regolarità, delle simmetrie che spieghino come la natura faccia interagire i mattoni fondamentali delluniverso Uno zoo di particelle! Finora sono state scoperte circa 200 particelle, che sono composte dai mattoncini che abbiamo visto in precedenza: troppe? Enrico Fermi una volta disse ad un suo studente: Giovanotto, se fossi in grado di ricordarmi i nomi di tutte queste particelle sarei stato un botanico!

14 Ci sono quattro interazioni fondamentali tra le particelle, e tutte le forze possono essere attribuite a queste quattro interazioni. Qualunque forza si consideri - lattrito, il magnetismo, la gravità, le reazioni nucleari e così via – è causata da una di queste quattro interazioni fondamentali: Abbiamo visto quali sono le particelle fondamentali che compongono luniverso: ma come interagiscono tra loro?

15 Nel mondo delle particelle la forza di gravità ha un ruolo trascurabile, perchè abbiamo a che fare con oggetti leggerissimi! Ma cosa vuol dire che due particelle interagiscono? Se due pattinatori sul ghiaccio si scambiano una palla, leffetto di azione e reazione li farà spostare entrambi dallequilibrio: Allo stesso modo due particelle interagiscono scambiandosi una particella che trasporta la forza, spostandosi dallequilibrio…

16 La forza elettromagnetica fa si che oggetti con la stessa carica si respingano e che oggetti con carica opposta si attraggano Ad esempio la forza che tiene uniti gli atomi e che rende la materia solida e impenetrabile è di natura elettromagnetica!

17 La forza nucleare forte tiene assieme i protoni e i neutroni nei nuclei degli atomi, e lega i quark che formano i protoni e i neutroni. Le particelle che forte Poichè tiene assieme particelle con la stessa carica elettrica, che tendono a respingersi, deve essere una forza, appunto, forte Le particelle che mediano la forza forte tra i gluoni quark sono chiamati gluoni, perchè tengono incollati tra loro i quark (in Inglese glue=colla)

18 La forza nucleare debole è responsabile del decadimento di quark e leptoni pesanti in quark e leptoni più leggeri Quando una particella decade scompare, e viene rimpiazzata da due o più particelle diverse. Ad esempio nel decadimento del neutrone: L Le tre particelle che mediano la forza debole, sono chiamate W +, W -, Z 0 (scoperti da C. Rubbia nel 1983)

19 Ma come si vedono le particelle elementari? Per vedere oggetti così piccoli, i fisici li colpiscono con particelle esploratrici di altissima energia: più è alta lenergia, più piccola è la particella che può essere studiata Inoltre lenergia delle particelle proiettile viene utilizzata per creare dal nulla particelle pesanti che i fisici vogliono studiare Per produrre in laboratorio particelle così energetiche sono stati costruiti degli Acceleratori di particelle

20 Dopo che un acceleratore ha pompato abbastanza energia nelle particelle accelerate (di solito sono protoni ed elettroni), queste collidono su un bersaglio fisso, oppure tra di loro. Ogni collisione produce un evento, che i fisici vedono grazie ad un Rivelatore di particelle Lacceleratore più grande del mondo, LHC, si trova al CERN di Ginevra (CH) La circonferenza dellanello di accelerazione è di 27 Km!

21 Spesso però siamo fortunati, perchè la natura ci fornisce particelle già accelerate! …dai collassi stellari! …dal Sole! …da urti tra particelle nellatmosfera! …bisogna solo trovare dei modi furbi per catturarle… come ?

22 ...osservando il cielo mettendoci sottoterra! Sembra una contraddizione, ma se vogliamo osservare le particelle più strane che arrivano dallo spazio dobbiamo eliminare le fonti di rumore come la radioattività e i raggi cosmici... … e quindi mettendo i rivelatori di queste particelle sotto molti kilometri di roccia, che lascia passare solo le particelle che interagiscono meno con la materia…

23 ICARUS! Ricerca eventi rari: neutrini che vengono dal Sole e dalle esplosioni di Supernove, neutrini che vengono sparati da un acceleratore che si trova al CERN (730Km!!!), e il decadimento del protone I neutrini interagiscono poco con la materia, quindi lUniverso ne è pieno. ICARUS cerca di scoprire se hanno una massa: con il loro numero possono contribuire alla massa dellUniverso e condizionare la sua espansione

24 ICARUS è una collaborazione di più di centoventi fisici di Italia diverse nazioni: Italia, Polonia, Spagna, Svizzera, Cina, Stati Uniti Lidea per il rivelatore ICARUS fu proposta già nel 1977 dal premio Nobel Italiano e ora professore dellUniversità di Pavia Carlo Rubbia Entro questanno il rivelatore ICARUS sarà trasportato nei laboratori sotterranei dellIstituto Nazionale di Fisica Nucleare, sotto il Gran Sasso

25 Come funziona ICARUS ? Argon liquido (-186°) Catodo Anodo: 3 piani di fili E E Rivelatore ICARUS T600 Come funziona ICARUS ? Una particella che attraversa il rivelatore urta gli elettroni degli atomi di argon… urta gli elettroni degli atomi di argon… e-e-e-e- e-e-e-e- e-e-e-e- e-e-e-e- e-e-e-e- e-e-e-e- e-e-e-e- e-e-e-e- …che vengono trasportati da un campo elettrico verso tre piani di fili… che raccolgono gli elettroni producendo segnali elettronici…

26 … che vengono raccolti ed elaborati per la successiva analisi Ed ecco alcuni esempi di tracce di particelle, ricostruite dai segnali raccolti dal primo modulo di ICARUS nel 2001 a Pavia!

27 Presto ICARUS darà soluzione ad alcuni dei più grandi misteri che riguardano la fisica delle particelle elementari…

28 Potete trovare questa presentazione sul sito di ICARUS – Pavia: Le trovate nel menu Public nella colonna di sinistra


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