Il Modello Standard delle Particelle e delle Interazioni

Cultura greco-classica  4 elementi (Aristotele : Mat. continua) Com’è fatta la materia? Cultura greco-classica  4 elementi (Aristotele : Mat. continua) 19o secolo  Atomi (Dalton: Mat. discontinua) Inizio 20o secolo: elettroni, protoni, neutroni (Mod. a panettone, planetario, quantistico, probabilistico) Oggi: quarks, leptoni e mediatori di interazioni

Modello Standard (seconda metà del ‘900) La materia è composta da elementi subnucleari Quarks Leptoni Mediatori di interazione

I quarks esistono solo in gruppi (adroni), mai come singoli. Hanno: IDENTIKIT I quarks esistono solo in gruppi (adroni), mai come singoli. Hanno: carica elettrica positiva o negativa, frazionaria (-1/3 oppure +2/3), massa (compresa tra quella dell’elettrone e quella del protone); spin (rispettano il principio di Pauli) carica di colore (a segni opposti) Neutrone Protone -1/3 -1/3+2/3=0 +2/3 +2/3-1/3=1

I leptoni esistono singolarmente, hanno: IDENTIKIT I leptoni esistono singolarmente, hanno: carica elettrica negativa (-1) oppure neutra (0) massa spin ( rispettano il principio di Pauli)

Ulteriori dettagli… Si conoscono 6 tipi quarks e 6 tipi di leptoni organizzati in rispettive 3 famiglie (Generations). Delle 3 generations, nella materia stabile ritroviamo solo la prima (I): quella ‘più leggera’: cioè l’elettrone (e-) con il corrispondente neutrino (ve) e la coppia di quarks up/down. Le particelle delle altre due gemerations sono più pesanti, molto instabili decadono rapidamente (ecco perchè si rintracciano solo durante esperimenti nucleari) Per ogni tipo di particella descritta precedentemente (materia) esiste un tipo di anti-particella (anti-materia): Anti-elettrone (o positrone), anti-quark, anti-neutrone, anti-protone ecc.

Non è tutto… Queste particelle fondamentali sono stabili e facilmente rintracciabili con le apposite strumentazioni. Esistono Numerosissime altre particelle, più o meno complesse, più o meno pesanti, ottenute da varie combinazioni tra quarks, ma sono tutte estremamente instabili… tanto da essere “notate” con strumentazioni più sofisticate e solo per brevissimo tempo (micro, nano secondi)  Mesoni, Kaoni, Pioni ecc.

Le interazioni? Come fanno due calamite ad attrarsi o respingersi? Come fa il Sole ad attrarre la Terra? Sappiamo che un corpo “carico” riesce a modificare lo spazio intorno a se, creando un campo di forze, di interazioni. un campo cioè in cui viene veicolata, comunicata ad un altro corpo l’attrazione o la repulsione. Ma chi permette questa comunicazione?

Le Interazioni Nel secolo scorso furono riconosciute 4 interazioni (o forze) fondamentali che si esercitano tra le particelle Gravità, Elettromagnetismo, Inter. nucleare debole Inter. nucleare forte Tra esse, la gravita’ e’ solo attrattiva, le altre sono attrattive e repulsive.

Il Modello Standard suppone l’esistenza di Mediatori di interazioni ? gravitone Gravitoni Fotoni Gluoni Bosoni ? Bosone di Higgs

1) GRAVITONI (solo ipotizzati: non ancora provati) Non dovrebbero avere massa Non dovrebbero avere carica elettrica dovrebbero avere spin +1, -1 (bosoni di gauge) Non rispetterebbero il principio di Pauli Mediano l’attrazione gravitazionale.

2) FOTONI Mediano le forze elettromagnetiche non hanno massa Permettono l’attrazione tra cariche (elettriche e magnetiche) opposte e la repulsione tra quelle uguali. non hanno massa Non hanno carica elettrica (0) Si propagano alla velocita’ della luce Hanno doppia natura (particellare e ondulatoria) Hanno spin +1, -1 (bosoni di gauge) Non rispettano il principio di Pauli

3) GLUONI Mediatori della forza nucleare forte. Tengono uniti i quarks all’interno dei protoni e dei neutrone, ma anche protoni e neutroni tra loro nel nucleo. Hanno carica di colore diversa da 0+ - La loro mediazione si basa proprio sulla carica di colore, caratteristica dei quarks. Hanno massa quasi nulla (teorica=0) Non hanno carica elettrica Hanno spin +1, -1 (bosoni di gauge) Non rispettano il principio di Pauli

Mediatori dell’interazione debole Hanno carica elettrica (+1, -1, 0) 4) BOSONI W, Z, Higgs, (x e y) Mediatori dell’interazione debole Responsabili del decadimento radioattivo della materia. Hanno carica elettrica (+1, -1, 0) Hanno massa (100 volte il protone) Hanno spin, +1 e -1 Non rispettano il principio di Pauli Bosoni x e y ipotizzati (responsabili di una nuova ipotetica interazione)

Quarks in moto nei protoni e nei neutroni Protoni e neutroni in moto nel nucleo Elettroni (leptoni) in moto intorno al nucleo Mediatori che permettono interazioni tra i vari elementi precedenti. Sono responsabili, quindi, di tutti i fenomeni chimici e fisici.

Decadimento nucleare Il nucleo puo’ scindersi in parti piu’ piccole (questo fenomeno può essere osservato facilmente, grazie a speciali strumentazioni, in un reattore nucleare)

Un esempio: decadimento beta del neutrone Un quark down si trasforma in: un quark up + un bosone W-. Successivamente il bosone si converte in due leptoni (l’elettrone e il corrispondente neutrino) che verranno espulsi con una certa energia. Come si può comprendere da questo esempio, il bosone si rende “visibile” alle strumentazioni solo nel momento della trasformazione del quark, per tal motivo vien logico pensare che ne sia il diretto responsabile.

Altro esempio: decadimento del muone Un muone (leptone pesante) decade in elettrone e due neutrini (leptoni più leggeri), con una forte energia cinetica, per mediazione ancora di un bosone

In conclusione… Quando una qualsiasi particella decade, trasformandosi in un’altra (piu’ leggera), è sempre riscontrabile un bosone intermedio, fatto che, quindi, porta alla conclusione che: il bosone è mediatore del decadimento radioattivo (interazione nucleare debole). Caso particolarissimo è quello del BOSONE di HIGGS (particella di DIO): appena confermato nei laboratori del CERN di Ginevra, esso media il decadimento (trasformazione) di pura energia (cinetica ed elettromagnetica) in massa

Altre informazioni I quarks e i leptoni hanno uno spin paragonabile alla rotazione attorno ad un asse ed è tale da rispettare il principio di esclusione di Pauli. Il loro comportamento è descritto della cosidetta meccanica quantistica descritta in maniera definitiva da E. Fermi (in suo onore queste particelle sono anche indicate con il termine comune di di “Fermioni”) I bosoni hanno uno spin completamente differente (non può essere paragonato alla rotazione attorno ad un asse) ed è tale da non rispettare il principio di Pauli, permettendo loro di trovarsi vicini in numero indefinito. il loro comportamento non è descritto dalla meccanica quantistica ma dalla meccanica statistica elaborata da Bose e da Einstein. (è proprio in onore a Bose che sono indicati con il termine di “Bosoni”)