IL MODELLO STANDARD Le idee chiave Interazioni tra le particelle Prof. ZANGARI NATALE IL MODELLO STANDARD Le idee chiave Interazioni tra le particelle L’interazione elettromagnetica L’interazione forte L’interazione debole L’interazione gravitazionale L’intensità delle forze fondamentali Le particelle elementari

IL MODELLO STANDARD Le idee chiave Interazioni tra le particelle Prof. ZANGARI NATALE IL MODELLO STANDARD MENÙ PRINCIPALE Le idee chiave Interazioni tra le particelle L’interazione elettromagnetica L’interazione forte L’interazione debole L’interazione gravitazionale L’intensità delle forze fondamentali Le particelle elementari

Le idee chiave Prof. ZANGARI NATALE IL MODELLO STANDARD Esistono delle particelle che sono i costituenti fondamentali delle materia I fisici hanno elaborato una teoria, chiamata Modello Standard, che vuole descrivere sia la materia che le forze dell'Universo. La bellezza di tale teoria è nella capacità di descrivere tutta la materia sulla base di poche particelle ed interazioni fondamentali Il Modello Standard sostiene che le particelle fondamentali si dividono in 2 gruppi principali: quark e leptoni e ogni gruppo è costituito di 6 elementi (detti anche sapori) Esistono delle particelle che sono mediatrici di forza. Le interazioni tra le particelle fondamentali di materia avvengono tramite lo scambio di particelle mediatrici di forza (un esempio che svilupperemo in seguito, è il mediatore dell'interazione elettromagnetica, il fotone). SOMMARIO

Interazioni tra le particelle Prof. ZANGARI NATALE IL MODELLO STANDARD In natura esistono quattro interazioni fondamentali, che sono alla base degli scambi di energia tra le particelle e che sono responsabili della struttura dell'Universo. Queste sono l'interazione elettromagnetica, l'interazione forte, l'interazione debole e l'interazione gravitazionale . Queste particelle, trasportatrici dell'energia dell'interazione, vengono emesse e riassorbite dalle particelle interagenti Per descrivere un'interazione è importante definire due quantità: il raggio d'azione e l'intensità Il raggio d'azione di un'interazione è la distanza massima alla quale essa è influente. Ad esempio l'interazione gravitazionale ha un raggio d'azione infinito; per questo motivo il sole esercita la sua forza anche su pianeti lontanissimi come Plutone. L'intensità fornisce una misura dei rapporti di forza tra le interazioni di diversa natura. SOMMARIO

L'interazione elettromagnetica tra cariche di segno uguale Prof. ZANGARI NATALE IL MODELLO STANDARD L'interazione elettromagnetica è responsabile della struttura atomica e molecolare della materia e si manifesta nella nostra vita quoditiana in molti modi, dall'energia elettrica che utilizziamo nelle nostre case per accendere la luce e i vari elettrodomestici, ai segnali che portano nelle nostre case i programmi televisivi e radiofonici e ci permettono di comunicare con i nostri amici tramite il telefono cellulare. . Al livello microscopico l'interazione elettromagnetica si manifesta tra tutte le particelle dotate di carica elettrica diversa da zero ed ha come mediatore dell'interazione il fotone. Due particelle con la stessa carica elettrica (ad es. due elettroni) si respingono reciprocamente Ma come avviene la repulsione? L'interazione fra due elettroni implica un fascio di fotoni (portatori della forza elettromagnetica) che passano da un elettrone all'altro e viceversa.  Pensiamo a questi fotoni come a una grandinata di pallottole di mitragliatrice ... allora ogni elettrone che emette un fascio di fotoni rincula, mentre al tempo stesso ogni elettrone che e' colpito da un fascio di fotoni è spinto via. Non sorprende che le due particelle si respingono

L'interazione elettromagnetica tra cariche di segno opposto Prof. ZANGARI NATALE IL MODELLO STANDARD Più difficile è capire perché particelle di carica opposta (per esempio un elettrone e un protone) si attraggono, ma è proprio questo ciò che accade. Un'analogia che potrebbe esserci d'aiuto consiste nel pensare a un gruppo di atleti impegnati in un allenamento, che corrono lanciandosi reciprocamente una palla medicinale.  Essi tendono ad avvicinarsi tra di loro perché altrimenti non sarebbero in grado di lanciarsi una palla cosi pesante! Al contrario nel mondo microscopico delle particelle, questa attrazione funziona attraverso lo scambio di particelle molto leggere, come sono i fotoni che hanno massa nulla! Un flusso di fotoni emessi da un elettrone entrando in collisione con un protone, non lo spinge via ma lo attrae verso l'elettrone, e viceversa. Poiché hanno massa nulla, i fotoni una volta prodotti possono propagarsi su distanze enormi, anche percorrere l'intero universo! In altre parole il raggio d’azione dell'interazione elettromagnetica è infinito. Inoltre l‘intensità dell'interazione elettromagnetica diminuisce tanto più le particelle interagenti si allontanano tra di loro. SOMMARIO

L'interazione forte Prof. ZANGARI NATALE IL MODELLO STANDARD Abbiamo accennato che l'interazione elettromagnetica è responsabile della coesione tra gli elettroni e il nucleo negli atomi. Quando si scende alla scala del nucleo atomico, i protoni e i neutroni sono tenuti insieme da un'altra forza, l'interazione forte che impedisce al nucleo di disintegrarsi in conseguenza della repulsione elettromagnetica tra i protoni del nucleo. L'interazione forte non è però connessa direttamente a neutroni e protoni , bensì a uno strato di struttura più profondo al loro interno, al livello dei quark. Ogni protone e neutrone è composto invariabilmente di tre quark. Il carattere più interessante dei quark è che essi non vengono mai osservati isolatamente ma solo in triplette . I quark sono tenuti uniti dallo scambio delle particelle mediatrici della forza forte. Quando si trattò di dare un nome a queste particelle, i fisici si permisero una piccola battuta: queste particelle sono state chiamate gluoni perché incollano (in inglese glue vuol dire colla) i quark l'uno all'altro. Quindi l'intensità dell'interazione forte aumenta all'aumentare della distanza delle particelle interagenti ma il raggio d'azione dell'interazione forte è estremamente piccolo, sufficiente per garantire l'integrità dei nuclei atomici, circa 1 fm. Così come l'interazione elettromagnetica avviene solo tra particelle dotate di carica elettrica, l'interazione forte avviene solo tra particelle composte di quark. Ciò è dovuto al fatto che i quarks trasportano un nuovo tipo di carica, la carica di colore SOMMARIO

L’interazione debole Prof. ZANGARI NATALE IL MODELLO STANDARD La forza debole è quella che si discosta di più dalla nozione di forza della nostra esperienza quotidiana. L'interazione debole non contribuisce tanto alla coesione della materia quanto alla sua trasformazione. Come esempio consideriamo una particolare manifestazione delle interazioni deboli, il decadimento beta:la trasformazione di un neutrone in un protone più un elettrone e un antineutrino elettrone SOMMARIO

L’interazione gravitazionale Isaac Newton (1642-1727) all’età di 24 anni Prof. ZANGARI NATALE IL MODELLO STANDARD La gravità è la più debole delle quattro forze, ma è quella a noi più familiare nella vita quotidiana e fu la prima a essere studiata scientificamente. In qualsiasi pezzo di materia la gravità di tutte le singole particelle che lo compongono, si somma. Non esiste per la gravità una cancellazione come quella fra le cariche elettriche positive e negative in un atomo. Quindi anche se molto minore di intensità delle altre forze, a livello macroscopico la gravità, proprio per la sua additività, produce effetti molto grandi. Il raggio d'azione della gravità è infinito come quello dell'elettromagnetismo, e come accade per l'interazione elettromagnetica, l'intensità dell'interazione gravitazionale diminuisce all'aumentare della distanza tra i corpi interagenti. La gravità è chiaramente un'interazione fondamentale della natura, ma la teoria del Modello Standard non è ancora in grado di spiegarla e di inserirla in modo soddisfacente in un quadro completo delle quattro interazioni fondamentali. Questo è uno dei principali problemi aperti della fisica moderna. Inoltre il mediatore della gravità, per il quale si fa l'ipotesi che si tratti di una particella di massa nulla (il gravitone), non è stato ancora sperimentalmente osservato. SOMMARIO

L’intensità delle forze fondamentali Prof. ZANGARI NATALE IL MODELLO STANDARD L'intensità relativa delle quattro forze fondamentali della natura può essere espressa in rapporto all'intensità della forza forte. Se poniamo l'intensità della forza forte uguale a 1, l'intensità, molto arrotondata, della forza elettromagnetica, è di circa 10-2 (un centesimo della forza forte), l'intensità della forza debole è di 10-13 (dobbiamo immaginare di ridurre la forza forte di un milione di volte poi ancora di un milione di volte e poi ancora di dieci volte). L’intensità della gravità è 1038 volte minore della interazione elettromagnetica. Questo vuole dire che l'interazione forte è cento miliardi di miliardi di miliardi di miliardi di volte più intensa della gravità. Ricordiamo che la forza debole e la forza forte hanno entrambe un raggio d'azione molto limitato, operando a una scala assai minore delle dimensioni di un atomo. La forza elettromagnetica e quella gravitazionale hanno un raggio d'azione infinito. Infine ricordiamo le particelle mediatrici delle quattro interazioni fondamentali e le particelle sulle quali agiscono ... SOMMARIO

Le particelle elementari Prof. ZANGARI NATALE IL MODELLO STANDARD Il gravitone (interazione gravitazionale) agisce su tutte le particelle Il gluone (interazione forte) agisce su i tutti i quark Il fotone (interazione elettromagnetica) agisce su tutte le particelle dotate di carica elettrica, quindi su tutti i quark e su elettrone, muone e tau . I bosoni intermedi Z0, W+ e W- (interazione debole), agiscono su tutte le particelle.

Esistono altre particelle elementari? Prof. ZANGARI NATALE IL MODELLO STANDARD Esistono altre particelle elementari? Le particelle elementari sono a loro volta formate da altre particelle o da un’unica particella base? SOMMARIO