LE QUATTRO FORZE FONDAMENTALI La forza nucleare forte Alunni: Martina, Paola, Monica, Ahmed Classe 1A Alberghiero – Porto Sant’Elpidio (FM) Tutor: prof. Pierluigi Stroppa

Obiettivi di conoscenza e competenza Conoscere le 4 forze fondamentali Sapere a che serve l’acceleratore di Ginevra Approfondire la conoscenza della forza nucleare forte Sapere che con gli esperimenti si possono creare nuove particelle Sapere la struttura dell’atomo e delle particelle che lo costituiscono Conoscere le particelle che costituiscono l’atomo Conoscere i diversi tipi di quark che costituiscono i nucleoni

Obiettivi di abilità Collegare una forza fondamentale ai fenomeni macroscopici che provoca Costruire un modello per rappresentare l’interno dell’atomo Evidenziare il legame tra l’evoluzione dell’universo e la forza nucleare forte Saper organizzare una videopresentazione per un convegno

Metodologia Lezioni frontali partecipate con uso di campioni Lavori di gruppo, role playing Ricerche bibliografiche e navigazione in rete Invito alla produzione di videopresentazioni

Mezzi e strumenti Libri di testo e riviste scientifiche Laboratorio scientifico Personal computer e videoproiettore Macchina fotografica digitale e videocamera Lavagne d’ardesia, magnetica e luminosa Minerali, calamite, bussole Modelli e poster

LE QUATTRO FORZE FONDAMENTALI Sono la forza forte, quella debole, la elettromagnetica e la forza di gravitazione

La forza nucleare forte (FNF) Agisce nel nucleo dell’ atomo, all’interno dei protoni e dei neutroni Ha la proprietà del confinamento*, cioè nei barioni (protoni e neutroni) sono presenti come triplette È veicolata dai gluoni (dall’inglese “glue” che significa colla) che tengono insieme i Quark dentro i protoni e i neutroni * Dato che sinora gli scienziati non sono riusciti a separare le terne di Quark, hanno coniato per essi la proprietà del “confinamento”

Le particelle fondamentali della materia La materia ordinaria è formata dai leptoni e quark Nella prima famiglia (o generazione) di particelle i leptoni sono il neutrino elettronico e l’elettrone Organizzazione dei Fermioni Nome 1a generazione 2a generazione 3a generazione Quark Up Charm Top Down Strange Bottom Leptoni Neutrino elettronico Neutrino muonico Neutrino tauonico Elettrone Muone Tau Nella prima famiglia di particelle i Quark sono up e down

Secondo il modello standard, tutta la materia ordinaria che osserviamo nel mondo macroscopico è costituita da quark e leptoni. … .. infatti è costituita da atomi che sono a loro volta composti da un nucleo ed uno o più elettroni, che sono i più leggeri tra i leptoni carichi. ..

…… il nucleo è costituito a sua volta da protoni e neutroni che sono composti ciascuno da tre quark. Sopra l’interno di un protone Sopra l’interno di un neutrone Infine le particelle mediatrici delle forze risultano essere tutte bosoni.

La Qcd = Quantum chromo-dynamic La Qcd (dall’inglese Quantum chromo-dynamic ) o cromodinamica quantistica, è la teoria che descrive anche il “colore” dei quark. I quark vanno combinati in modo che il colore complessivo sia nullo… (rosso + verde + blu) ciò significa che devono trovarsi “confinati” all’interno di particelle “bianche”. Le particelle mediatrici dei quark, i gluoni, risentono dei colori dei quark… questa interazione si chiama “forza di colore” e la teoria che la descrive è la Qcd

Curiosità: il Quarkoscopio Il quarkoscopio è uno strumento fabbricato dall’ AMA (associazione marchigiana astrofili di Ancona). Con esso si possono vedere i quark che sono nei protoni e nei neutroni. A lato il quarkscopio indica la struttura del protone

I quark up e down Le tre famiglie di quark prevedono ciascuna un quark di carica +2/3 ed uno di carica -1/3. I quark più leggeri sono up (u) e down (d), che combinati secondo lo schema uud formano il protone (di carica +2/3 +2/3 -1/3 = 1), mentre combinati secondo lo schema udd formano il neutrone (di carica +2/3 -1/3 -1/3 = 0).

Com’ è fatto un protone? Il protone è formato da tre quark: uno di colore rosso (chiamato up); uno di colore blu (chiamato up); uno di colore verde (chiamato down). Questi ultimi possiedono rispettivamente, carica elettrica +2/3 e -1/3. La carica elettrica +1 del protone si ottiene, quindi, combinando due quark up e un quark down: Carica +2/3 +2/3 -1/3 = +1

Com’ è fatto un neutrone? Il neutrone, invece, è privo di carica elettrica; Esso infatti è formato da due quark down e uno up (-1/3 -1/3 +2/3 = 0).

Le particelle della seconda e terza famiglia Organizzazione dei Fermioni Nome 2a generazione 3a generazione Quark Charm Top Strange Bottom Leptoni Neutrino muonico Neutrino tauonico Muone Tau Queste particelle esistevano subito dopo il Big Bang. Ora si trovano solo nei raggi cosmici e vengono prodotte negli acceleratori di particelle.

Un esperimento particolare: il QGP Il QGP (Quark Gluon Plasma) Il QGP è lo stato della materia che esisteva probabilmente poco dopo il big bang e poco prima la formazione dei protoni e dei neutroni (vedi immagine a lato, da Zullini & Scaioni) QGP

OTTENERE Il QGP (Quark Gluon Plasma) Per ottenere il QGP si dovranno scegliere come proiettili degli ioni (nuclei privi di elettroni) pesanti, cioè contenenti molti protoni e neutroni (e dunque molti quark e gluoni). Ad esempio il Piombo che ha 82 protoni e 126 neutroni. Gli ioni vengono accelerati a velocità relativistiche e poi fatti collidere. Si può così creare una zona “calda” e “densa” nella quale vengono riprodotti i valori di temperatura necessari per formare il QGP.

OTTENERE Il QGP (Quark Gluon Plasma) In ALICE si studieranno le collisioni tra due fasci di ioni di Piombo, accelerati dal collider LHC in direzioni opposte, e poi fatti collidere frontalmente. Si dovrà raggiungere la temperatura di duemila miliardi di gradi (100.000 volte la temperatura all’ interno del sole!).

Problemi tecnici *Un’interazione PbPb all’energia di LHC produrrà migliaia di particelle *Notevoli difficoltà tecniche per progetto/realizzazione dei rivelatori che dovranno identificare e realizzare tali particelle

Problemi concettuali * Il QGP ha una “vita” effimera; durante questa breve vita si verificano dei processi di espansione e raffreddamento che provocano una transizione verso particelle “ordinarie” (non colorate). Queste, dopo una fase relativamente più lunga di interazioni reciproche, “ volano” verso i rivelatori. * Sono queste le particelle che vediamo nei nostri rivelatori e NON i quark e i gluoni del Quark-Gluon Plasma. Occorre pertanto identificare dei segnali univoci dell’avvenuta formazione (per brevissimi istanti) del QGP.

BIBLIOGRAFIA Nicola Dallaporta (1986), “sguardo sull’attuale cosmologia” ed. Borla Franc Wilczek (2010), “la leggerezza dell’essere. La massa, l’etere e l’unificazione delle forze” ed. Mondadori Ippolita Martellotta & Rosa Anna Rizzo (2009): “English for Science, facing the future” lingue Zanichelli Aldo Conti & Lino Miramonti “una particella molto sfuggente”, in quark album cacciatori di neutrini. A cura dell’INFN Antonio Masiero & Massimo Pietroni “Il lato oscuro dell’Universo” in “La materia oscura” collana “asimmetrie” anno 2 n°4-giugno 2007. A cura dell’INFN Angela Bracco “Al cuore della materia” in “Nuclei e stelle” collana “asimmetrie” anno 4 n°9-settembre 2009. A cura dell’INFN Alberto Del Guerra “Antimateria al lavoro per la salute” in “antimateria” collana “asimmetrie” anno 3 n°7-ottobre 2008. A cura dell’INFN Nicola Cabibbo “Le interazioni deboli” in “la lunga caccia al neutrino” collana “asimmetrie” anno 2 n°3 - dicembre 2006. A cura dell’INFN A.Zullini e U.Scaioni “scienze della terra”, edizioni ATLAS Poster INFN 1951-2001, “50 anni di ricerca italiana alla frontiera della scienza e della tecnologia” Autori vari “fisica, gli scienziati delle forze fondamentali e il loro istituto” Stephen Hawking, 1988, “A brief history of time, from the Big Bang to Black Holes” F.Bagatti & alii (2.000) “elementi di chimica, sezione C: dalla struttura dell’atomo ai legami chimici”. Luca Novelli (2007), “Einstein e le macchine del tempo”, in lampi di genio, ed. scienza.

SITOGRAFIA www.wikipedia www.pierluigistroppa.altervista.org www.infn.it www.asimmetrie.it www.cern