Il Modello Standard delle Particelle e delle Interazioni Marina Cobal 25 Novembre 2004

Di cosa e’ fatto il mondo? Anticamente: 4 elementi 19mo secolo – atomi Inizio 20mo secolo – electroni, protoni, neutroni Oggi – quark and leptoni

L’ atomo nel 1900... Gli atomi interagiscono attraverso reazioni chimiche Piu’ di 100 atomi conosciuti (H, He, Fe …) La struttura interna non era conosciuta – ma si sapeva di una craica elettrica interna

Tavola Periodica Gli elementi sono raggruppati in famiglie con proprieta’ simili (Gas inerti: He, Ne etc.). Si arriva alla tavola periodica Questo suggerisce una struttura con elementi costituenti piu’ semplici

Modello per l’atomo Con gli esperimenti si riesce a “spaccare” gli atomi Particelle leggere a carica negativa (elettroni) intorno ad un nucleo positivo e pesante L’ atomo e’ praticamente vuoto

Il nucleo Il nucleo e’ piccolo e denso. Per un po’ si penso’ che fosse puntiforme Ma vi erano tanti nuclei diversi quanti erano gli atomi Semplificazione – tutti i nuclei sono fatti di protoni carichi e neutroni neutri.

Quarks Adesso sappiamo che anche protoni e neutroni non sono unita’ fondamentali Sono composti da particelle piu’ piccole dette quarks Per il momento questi quarks sembrano essere puntiformi

L’ atomo moderno Una nuvola di elettroni in moto costante intorno al nucleo Protoni e neutroni in moto nel nucleo Quarks in moto nei protoni e nei neutroni

Dimensioni (sub)-atomiche Il nucleo e’ 10,000 volte piu’ piccolo dell’atomo Il protone ed il neutrone sono 10 volte piu’ piccoli del nucleo Non ci sono evidenze che i quarks abbiano dimensione ….

Nuove Particelle Collisions of electrons and nucleii in cosmic rays and particle accelerators beginning in the 1930’s led to the discovery of many new particles Some were predicted but many others came as surprises Muon like a heavy electron: ‘Who ordered that?’ At first, all of them were thought to be fundamental

All’inizio erano poche… E molte piu’….

Introducendo i quarks.. La mia tesi di Dottorato!! Supervisori: H. Grassmann, G. Bellettini

Cosa e’ fondamentale? I fisici hanno trovato centinaia di nuove particelle Oggi sappiamo che la maggior parte non sono fondamentali Abbiamo sviluppato una teoria, detta Modello Standard, che sembra spiegare bene quello che osserviamo in natura Questo modello include 6 quarks, 6 leptoni e 13 particelle che trasportano le forze tra quarks e leptoni

Di cosa e’ fatto il mondo? Il mondo reale non e’ composto da singoli quarks I quarks esistono solo in gruppi, a formare I cosiddetti adroni (protoni e neutroni sono adroni) Esempio: un protone e’ composto da 2 quark di tipo up e da un quark di tipo down La materia che ci circonda – e noi stessi – e’ composta da quark up e down e da elettroni

Famiglie I 6 quarks ed I 6 leptoni sono organizzati in famiglie Le 3 famiglie presentano analogie Perche’ servono una seconda ed una terza generazione? I quarks hanno carica frazionaria (+2/3 e -1/3). I leptoni hanno carica -1 o 0

Ed i leptoni? Ci sono 6 leptoni, 3 carichi e 3 neutri Appaiono essere particelle puntiformi senza una struttura interna. Gli elettroni sono i piu’ comuni e sono quelli che si trovano nella materia ordinaria. Muoni (m) e taus (t) sono piu’ pesanti e carichi come l’elettrone. I neutrini non hanno carica, ed hanno una massa estremamente piccola.

Materia ed Antimateria Per ogni particella trovata, esiste una corrispondente particella di antimateria, o anti-particella. Queste particelle appaiono come le loro sorelle di materia, ma hanno carica opposta. Le particelle sono create o distrutte in coppia.

Quattro Forze Ci sono 4 interazioni fondamentali in natura Tutte le forse possono essere attribuite a queste interazioni La gravita’ e’ attrattiva, le altre possono essere repulsive Le interazioni sono anche responsabili dei decadimenti

Come interagiscono le particelle? Gli oggetti possono interagire senza toccarsi Come esercitano la loro attrazione – repulsione i magneti? Come il Sole attrae la Terra? Una forza e’ qualcosa che si comunica tra gli oggetti

Elettromagnetismo Le forze elettromagnetiche fanno si che cariche opposte si attraggano e cariche uguali si respingano Il portatore della forza e’ il fotone (g) Il fotone e’ senza massa e si propaga alla velocita’ della luce

E-M residua Normalmente gli atomi sono neutri avendo lo stesso numero di protoni e neutroni La parte carica di un atomo puo’ attrarre la parte carica di un altro atomo Gli atomi si possono cosi’ legare in molecole.

Perche’ un nucleo non esplode? Un nucleo pesante contiene molti protoni, tutti con carica positiva Questi si respingono Perche’ allora il nucleo non esplode?

Forza Forte In aggiunta alla carica elettrica, i quarks portano anche un nuovo tipo di carica, detta “carica di colore” La forza tra le particelle che hanno carica di colore e’ detta forza forte

Il Gluone La forza forte tiene insieme i quarks a formare gli adroni. I portatori della forza forte sono i gluoni: ci sono 8 diversi gluoni La forza forte agisce solo su corte distanze

Colore e Anti-colore Ci sono 3 cariche di colore e 3 cariche di anti-colore Notare che questi colori non hanno niente a che fare con il colore e con la luce visibile..e’ solo un modo di descrivere la fisica

Quark colorati e gluoni Ogni quark ha una delle 3 cariche di colore ed ogni antiquark ha una delle 3 cariche di anti-colore Barioni e mesoni sono neutri in colore

Confinamento dei quarks La forza di colore diventa piu’ forte a grandi distanze Le particelle con carica di colore non possono esistere isolate I quarks sono confinati con altri quarks a formare gli adroni I composto sono neutri in colore

I quarks emettono gluoni Quando un quark emette o assorbe un gluone, il colore del quark cambia affinche’ la carica di colore si conservi Un quark rosso emette un gluone rosso/anti-blu e diventa blu

Forza forte residua La forza forte tra i quarks in un protone ed i quarks in un altro protone e’ abbastanza intensa da superare la forza di repulsione elettromagnetica.

Forza debole Le interazioni deboli sono responsabili del decadimento dei quarks e dei leptoni pesanti in quarks e leptoni piu’ leggeri Esempio:il neutrone decade in protone+elettrone+neutrino Questo spiega perche’ tutta la materia e’ composta dai leptoni e quarks piu’ leggeri

Forza elettrodebole Nel Modello Standard la forza elettromagnetica e quela debole sono state unificate in una unica forza eletro-debole A distanza molto piccole (~10-18 meters), le interazioni deboli ed elettromagnetiche hanno la stessa intensita’ I portatori della forza sono, fotoni, W e Z.

E la gravita’? La gravita’ e’ molto debole E’ importante a distanze macroscopiche Il portatore della forza gravitazionale, il gravitone, e’ predetto dalla teoria ma non e’ mai stato osservato

Riassunto delle interazioni

Quanto Meccanica Il comportamento di atomi e particelle e’ descritto dalla Meccanica Quantistica Certe proprieta’, come l’energia, possono avere solo certi valori discreti, non sono un continuo Le proprieta’ della particella sono descritte da questi valori (numeri quantici) come: Carica Elettrica Carica di colore Sapore Spin

Il principio di esclusione di Pauli Possiamo usare le proprieta’ quantistiche delle particelle per classificarle. Alcune particelle, dette Fermioni, obbediscono al principio di Esclusione di Pauli, mentre altre – i bosoni – no.

Fermioni e Bosoni

Che cosa tiene il mondo insieme? Abbiamo imparato che il mondo e’ fatto da 6 quarks e 6 leptoni Tutto quello che vediamo e’ un agglomerato di quarks e leptoni. Cosa li tiene insieme? Ci sono quattro forze diverse, caratterizzate da diversi portatori.

Il nucleo instabile Abbiamo visto che le forze forti tengono il nucleo insieme contrapponendosi alle forze di repulsione tra i protoni Tuttavia non tutti i nuclei sono stabili Alcuni decadono

Decadimento nucleare Il nucleo puo’ scindersi in nuclei piu’ piccoli E’ come se dal nucleo saltassero fuori dei suoi pezzi piu’ piccoli Questo succede per esempio in un reattore nucleare

Decadimento del muone E’ un esempio del decadimento di una particella Qui le particelle prodotte non sono “pezzi” della particella iniziale, ma sono altre particelle completamente nuove.

Massa mancante Nella maggior parte dei decadimenti, le particelle od il nucleo che rimangono hanno una massa totale minore della massa della particella o del nucleo originario. La massa mancante si e’ trasformata in energia cinetica dei prodotti di decadimento

Mediatori del decadimento Quando una particella decade, si trasforma in una particella piu’ leggera ed in una particella portatrice delle forze (il bosone W) Una particella decade se la sua massa totale e’ maggiore della somma delle masse dei prodotti di decadimento e se c’e’ una forza che media il decadimento

Particelle Virtuali Particles decay via force-carrier particles In some cases, a particle may decay via a force-carrier that is more massive than the initial particle The force-carrier particle is immediately transformed into lower-mass particles The short-lived massive particle appears to violate the law of energy conservation

Annichilazione Non sono decadimenti ma avvengono ugualmente grazie a particelle virtuali L’annichilazione di quarks leggeri ad energie elevate puo’ portare alla produzione di quarks pesanti nel laboratorio

Annichilazione dell’antiprotone Questa camera a bolle mostra un antiprotone che urta contro un protone, annichilando e producendo 8 pioni. Uno dei pioni decade poi in un muone ed un neutrino (che non lascia nessuna traccia)

Decadimento beta del neutrone

Annichilazione elettrone-positrone

Produzione di top

Misteri e Fallimenti Il Modello Standard e’ una teoria dell’ universo Da una buona descrizione dei fenomeni che osserviamo sperimentalmente Sotto molti aspetti e’ incompleto: perche’ ci sono 3 generazioni? Che cosa e’ la materia oscura?

E’ sbagliato il Modello Standard? Dobbiamo adesso andare oltre il Mdello Standard, proprio come Einstein ha esteso le leggi della meccanica di Newton con la Teoria della Relativita’. Dobbiamo farlo per spiegare le masse, la gravita’ etc…

Tre famiglie Ci sono 3 famiglie di particelle fondamentali Perche’ sono 3? E perche’ ne vediamo solo una nel mondo reale?

E cosa si puo’ dire sulle masse? Il Modello Standard non puo’ spiegare perche’ una particella ha una certa massa I fisici hanno teorizzato l’esistenza di un nuovo campo, detto di Higgs, che interagisce con le altre particelle per dare loro la massa. Per adesso l’Higgs non e’ stato psservato sperimentalmente.

Teoria di Grande Unificazione Si crede che una GUT unifichera’ le forze forte, debole ed elettromagnetica Queste 3 forse saranno allora visibili come manifestazioni diverse – a bassa energia – di una stessa forza Le 3 forze si unirebbero ad una energuia alquanto elevata.

Supersimmetria Alcuni fisici, nel tentativo di unificare la gravita’ con le altre forze fondamentali, hanno suggerito che ogni particella fondamentale dovrebbe avere una particella “ombra” (shadow). Sono piu’ di 20 anni che cerchiamo queste particelle supersimmetriche

La fisica di oggi ha teorie per la meccanica quantististica, per la relativita’ e per la gravita’, ma queste teorie sono separate. Se vivessimo in un mondo con piu’ di 3 dimensioni spaziali forse si potrebbe superare questo problema. La teoria delle stringhe suggerisce che in un mondo in cui ci sono le 3 dimensioni standard, e qualche dimensione addizionale purche’ piccola, le particelle sono stringhe

Extra Dimensioni La Teoria delle stringhe richiede piu’ delle 3 dimensioni Queste extra dimensioni possono essere cosi’ piccole che non le possiamo vedere Gli esperimenti adesso cercano evidenze per queste extra dimensioni

Materia Oscura Sembra che l’Universo non sia fatto della stessa materia come il nostro Sole e le stelle La materia oscura esercita una attrazione gravitazionale sulla materia, ma non e’ stata ancora rivelata.

L’ Universo in accelerazione Esperimenti recenti che utilizzano Supernovae di Tipo Ia hanno mostrato che l’ Universo si sta ancora espandendo e che il rate di espansione sta aumentando Questa accelerazione deve essere guidata da un nuovo meccanismo che e’ stato chiamato energia oscura.

L’Universo in espansione Gli studi sulla piu’ lontana Supernova indicano che l’ Universo ha attraversato una fase di rallentamento dell’ espansione Attualmente l’ Universo sta accelerando.

Conclusioni Il Modello Standard e’ una potente sintesi che spiega un gran numero di osservazioni sperimentali. Rappresenta per la fisica quello che la biologia e’ per l’evoluzione Ci sono ancora molte domande aperte. La teoria delle stringhe per adesso NON da nessuna risposta!

E se vi interessa.. Venite a trovarci al Dipartimento di Fisica dell’ Universita’ di Udine! Un grazie alla Prof. Michelini e a: CIRD (Centro Interdipartimentale Ricerca Didattica) URDF (Unita’ di Ricerca Didattica della Fisica) CLDF (Centro Laboratorio Didattica della Fisica)