Michelangelo Mangano Theoretical Physics Division CERN, Geneva PERCHE’ STUDIAMO LA FISICA DELLE PARTICELLE? Incontri LNF per gli insegnanti 2002

Programma Programma Concetti fondamentali Concetti fondamentali Legame della FdP con altri rami della Fisica Legame della FdP con altri rami della Fisica Osservabili e grandezze fondamentali Osservabili e grandezze fondamentali Valore didattico della FdP, e possibili applicazioni nell’insegnamento liceale Valore didattico della FdP, e possibili applicazioni nell’insegnamento liceale

La FdP affronta le domande fondamentali della storia del pensiero Quali sono i componenti ultimi della materia? Quali sono i componenti ultimi della materia? Che cosa `li muove’? Che cosa `li muove’? Come `si muovono’? Come `si muovono’? Da dove viene l’Universo? Come funziona? Dove va?

Livello 0: come? cosa? Esistono mattoni fondamentali? Esistono mattoni fondamentali? Se si’, cosa sono? Se si’, cosa sono? Come interagiscono? Come interagiscono? Come determinano le proprieta’ dell’Universo? Come determinano le proprieta’ dell’Universo?

Livello 1: perche’? Perche’ esistono mattoni fondamentali? Perche’ esistono mattoni fondamentali? Perche’ interagiscono cosi’? Perche’ interagiscono cosi’? Perche’ viviamo in 3+1 dimensioni? Perche’ viviamo in 3+1 dimensioni? Esistono alternative? Esistono alternative? ……. ……. Perche’ `qualcosa’ invece che `niente’?

Risultati principali Semplicita’ (dei costituenti, delle interazioni): la complessita’ emerge dalla varieta’ delle combinazioni Semplicita’ (dei costituenti, delle interazioni): la complessita’ emerge dalla varieta’ delle combinazioni Unita’ (delle leggi di interazione) Unita’ (delle leggi di interazione) Unicita’ (degli elementi): ` a proton is a proton is a proton’ Unicita’ (degli elementi): ` a proton is a proton is a proton’ Unicita’ (delle leggi fondamentali): indipendenza dal luogo, tempo e condizioni Unicita’ (delle leggi fondamentali): indipendenza dal luogo, tempo e condizioni

I componenti fondamentali I componenti fondamentali U U D U D protone neutrone elettrone neutrino

Le interazioni (o forze) Responsabili per: Responsabili per: Stati legati (E<0): Stati legati (E<0): Terra -Luna Terra -Luna Elettroni-Nucleo Elettroni-Nucleo Diffusione (E>0): Diffusione (E>0): Moto di un elettrone in un metallo Moto di un elettrone in un metallo Propagazione della luce Propagazione della luce Cambiamenti di stato: Cambiamenti di stato: Decadimenti (n->p e neutrino) Decadimenti (n->p e neutrino)

Le interazioni fondamentali FORZA SENSIBILE A: MEDIATORE: Elettromagnetismo Carica elettrica Fotone Forza debole Carica`debole’ W W+ W- Z0 Forza `forte’ `Colore’gluone Gravita’Energiagravitone

Ruolo della teoria della Relativita’ Le particelle elementari hanno masse talmente piccole che energie modeste, raggiungibili nell‘Universo anche al di fuori dei laboratori, possono accelerarle a velocita’ prossime a quelle della luce. Gli effetti relativistici sono dunque essenziali, e la descrizione dei loro comportamenti deve essere consistente con i principi della relativita’ speciale Le particelle elementari hanno masse talmente piccole che energie modeste, raggiungibili nell‘Universo anche al di fuori dei laboratori, possono accelerarle a velocita’ prossime a quelle della luce. Gli effetti relativistici sono dunque essenziali, e la descrizione dei loro comportamenti deve essere consistente con i principi della relativita’ speciale In particolare, il modello delle interazioni deve rispettare il principio che le forze non possono trasmettersi istantaneamente a distanza In particolare, il modello delle interazioni deve rispettare il principio che le forze non possono trasmettersi istantaneamente a distanza

Rappresentazione delle interazioni t

Standard Model Interactions e nu W eefotone,Z nunu Z q q’ W q Fotone,gluone,Z q

Proprieta’ delle interazioni Proprieta’ delle interazioni Localita’ (proprieta’ dell’interazione dipendono solo dalle properieta’ dei partecipanti in un punto) Localita’ (proprieta’ dell’interazione dipendono solo dalle properieta’ dei partecipanti in un punto) Causalita’ (l’effetto segue la causa, e non puo’ manifestarsi prima del tempo impiegato dalla luce a percorrere la distanza fra effetto e causa) Causalita’ (l’effetto segue la causa, e non puo’ manifestarsi prima del tempo impiegato dalla luce a percorrere la distanza fra effetto e causa) Universalita’ (l’interazione fra due particelle fattorizza in termini delle proprieta’ indipendenti delle singole particelle) Universalita’ (l’interazione fra due particelle fattorizza in termini delle proprieta’ indipendenti delle singole particelle)

Esempi di processi Decadiment o del neutrone Decadimento del leptone mu

P P’ q L’energia non puo’ essere conservata in una transizione di questo tipo! Solo la meccanica quantistica puo’ permetterla, imponendo una durata massima a questo stato in accordo con il principio di indeterminazione: ∆E ∆t > h/2π ∆E ∆t > h/2π Ruolo della meccanica quantistica I Se P 0 =mc, e visto che P 0 ’≥mc e q 0 >0, Se P 0 =mc, e visto che P 0 ’≥mc e q 0 >0, P 0 < P 0’ +q 0 P 0 < P 0’ +q 0

Ruolo della meccanica quantistica II P P’ q In alternativa, P=P’+q e => q 2 q 2 <0 P 2 = P’ 2 = m 2 La relativita’ speciale fa si’ che stati virtuali abbiano E>0 o E 0 o E<0 a seconda del sistema di riferimento. L’esistenza di stati con E<0 conduce all’introduzione di antiparticelle. Stati con q 2 <0 si chiamano virtuali. La loro esistenza e’ limitata a tempi consistenti con il principio di Indeterminazione. L’esistenza di antiparticelle (per es. e + ) e` cruciale nella realizzazione degli esperimenti di FdP moderni!

Ruolo della meccanica quantistica IIIee mu mu q q L’universalita’ degli accoppiamenti impedisce di predirre con certezza il risultato di una reazione. Diversi stati finali sono possibili, ed appaiono con probabilita’ relative calcolabili secondo le leggi della meccanica quantistica

Ruolo della FdP in Cosmologia L’universalita’ delle leggi di interazione (indipendenza da luogo e tempo) di permette di estrapolare indietro (ed avanti) nel tempo L’universalita’ delle leggi di interazione (indipendenza da luogo e tempo) di permette di estrapolare indietro (ed avanti) nel tempo E’ cosi’ possibilie ricostruire gli eventi della storia dell’Universo fino a tempi dell’ordine di sec dopo il Big Bang E’ cosi’ possibilie ricostruire gli eventi della storia dell’Universo fino a tempi dell’ordine di sec dopo il Big Bang

Come si impara qualcosa da immagini come questa?

Osservabili e grandezze fondamentali Massa: Massa: Oggetti composti -> orgine dinamica, calcolabile Oggetti composti -> orgine dinamica, calcolabile Oggetti fondamentali -> origine ??? Oggetti fondamentali -> origine ??? Misura: in decadimenti: P=∑ p i, M 2 =P 2 Misura: in decadimenti: P=∑ p i, M 2 =P 2 Carica: Carica: Ci che tipo (elettrica, debole, forte)? Ci che tipo (elettrica, debole, forte)? Altre??? Origine??? Altre??? Origine??? Misura: intensita’ dell’interazione Misura: intensita’ dell’interazione Spin (momento angolare intrinsico): Spin (momento angolare intrinsico): Intero -> bosoni, Semiintero -> fermioni Intero -> bosoni, Semiintero -> fermioni Assieme al principio di indeterminazione =>stabilita’ della materia!!! Assieme al principio di indeterminazione =>stabilita’ della materia!!! Origine ??? Origine ??? Misura : distribuzioni angolari in processi di diffusione o decadimento Misura : distribuzioni angolari in processi di diffusione o decadimento

Questioni legate alle grandezze fondamentali Meccanica Quantistica e Relativita’ ordinano che queste e solo queste siano le proprieta’ fondamentali di particelle puntiformi. Ma non ne determinano in modo univoco i valori Meccanica Quantistica e Relativita’ ordinano che queste e solo queste siano le proprieta’ fondamentali di particelle puntiformi. Ma non ne determinano in modo univoco i valori Principi di simmetria stabiliscono dei vincoli: Principi di simmetria stabiliscono dei vincoli: Conservazione della carica => M(fotone)=0 Conservazione della carica => M(fotone)=0 Conservazione della chiralita’ => M(neutrino)=0 Conservazione della chiralita’ => M(neutrino)=0 Ma a volte le simmetrie sono rotte, ed i vincoli persi

Le difficolta’ della ricerca Identificare le domande rilevanti Identificare le domande rilevanti Capire se queste ammettono risposta Capire se queste ammettono risposta Identificare gli strumenti matematici in grado di fornire la risposta Identificare gli strumenti matematici in grado di fornire la risposta Confrontare con il compito assegnato ad uno studente a scuola: Confrontare con il compito assegnato ad uno studente a scuola: Il problema gli viene assegnato dall’insegnante Il problema gli viene assegnato dall’insegnante Sa che e’ risolvibile …. Sa che e’ risolvibile …. …. usando gli strumenti dell’ultima lezione! …. usando gli strumenti dell’ultima lezione!

Esempi di questioni aperte Perche’ m(top) ~ 10 8 m(e)? Perche’ m(top) ~ 10 8 m(e)? Perche’ m(neutrino) ~ m(e)? Perche’ m(neutrino) ~ m(e)? Qual’e` la vera origine della massa? Qual’e` la vera origine della massa? Perche’ 3 famiglie di quarks e leptoni? Perche’ 3 famiglie di quarks e leptoni? Perche’ F gravita ~ F elettrica ? Perche’ F gravita ~ F elettrica ? Sono le particelle veramente puntiformi? Stringhe?? Membrane? Sono le particelle veramente puntiformi? Stringhe?? Membrane? Perche’ D=3+1? Perche’ D=3+1? E’ la gravita’ consistente con la MQ? E’ la gravita’ consistente con la MQ? Come e’ veramente avvenuto il Big Bang? Come e’ veramente avvenuto il Big Bang?

Insegnanti al CERN

La fisica classica si puo’ insegnare anche cosi’ ?? Moto di particelle in campi magnetici Leggi di conservazione dell’ impulso Leggi di conservazione della carica ….

FINALE Se avete capito tutto, forse non avete bisogno di restare fino a mercoledi’ Se avete capito tutto, forse non avete bisogno di restare fino a mercoledi’ Senno’, le lezioni che seguiranno esploreranno in dettaglio tutti gli aspetti (e piu’) che ho introdotto Senno’, le lezioni che seguiranno esploreranno in dettaglio tutti gli aspetti (e piu’) che ho introdotto Conclusioni? Conclusioni? A MERCOLEDI’ SERA!! A MERCOLEDI’ SERA!!

P.S. Perche’ facciamo la fisica delle particelle? Perche’ ci si diverte come matti!!