Modello Standard … e oltre Danilo Babusci INFN - Laboratori Nazionali di Frascati

Fisica delle Particelle Elementari (FdP) Si interessa del comportamento fisico dei costituenti fondamentali del mondo, ovvero di oggetti al contempo molto piccoli e molto veloci è l’arena naturale per l’esibizione simultanea della Meccanica Quantistica e della Relatività Speciale piccole dimensioni alte velocità

Meccanica Quantistica (in breve) Elementi essenziali della descrizione del mondo microscopico (diversi da quelli del mondo macro) leggi naturali sono di natura probabilistica posso conoscere soltanto la probabilità di un evento: è (in linea di principio) impossibile prevedere quando decadrà un atomo eccitato dualità onda-particella onde e particelle appaiono come aspetti differenti della stessa entità

Meccanica Quantistica (in breve) particella come onda  fenomeni d’interferenza

Meccanica Quantistica (in breve) A. Tonomura et al. American Journal of Physics 57, 117 (1989)

Meccanica Quantistica (in breve) onda come particella  effetto fotoelettrico metallo luce elettroni maggiore è l’intensità della luce, maggiore è il numero di elettroni, della stessa energia, emessi maggiore è la frequenza della luce incidente, maggiore è l’energia degli elettroni inspiegabili nell’ambito della fisica classica: l’energia di un’onda e.m. dipende dall’intensità, non da frequenza 

Meccanica Quantistica (in breve) Einstein (1905): l’energia del fascio di luce è distribuita in pacchetti (quanti) di grandezza hinteramente trasferibili all'elettrone Einstein (1915): nelle interazioni con la materia i quanti trasferiscono, oltre all’energia, anche un impulso (mv) → costante di Planck rafforzato lo status particellare della luce: fotoni NB massa fotone = 0

Meccanica Quantistica (in breve) Conseguenze natura ondulatoria della materia elettrone è onda stazionaria all’interno dell’atomo (orbita contiene numero intero di lunghezze d’onda)

Meccanica Quantistica (in breve) l’energia associata al moto dell’elettrone è quantizzata

Meccanica Quantistica (in breve) principio d’indeterminazione (Heisenberg) incertezza nella posizione incertezza nell’ impulso perde senso il concetto di traiettoria Non solo … … è concessa violazione arbitraria della legge di conservazione dell’energia purché duri per un tempo corrispondentemente piccolo

Meccanica Quantistica (in breve) Piccolo tempo d’esposizione forma SI - velocità NO Grande tempo d’esposizione forma NO - velocità SI

Campi Quantistici L’aspetto probabilistico sembra essere l’essenza ultima delle leggi fondamentali della natura La fusione dei concetti di onda e particella richiede l’abbandono di alcune idee classiche: Onda: rinuncia all’idea di un mezzo materiale che vibra e fornisce supporto alla propagazione Particella: rinuncia all’idea della localizzabilità onda - particella  campo quantistico

Interazioni tra Campi Fisica Classica Fisica Quantistica x e- e- e- emette   cambia velocità e- si avvicinano  mutua repulsione  rallentati e deviati e- assorbe   cambia velocità interazione = scambio del  azione a distanza

Campi Fondamentali Caratterizzazione delle proprietà di trasformazione delle particelle sotto rotazioni spaziali  spin

campi suddivisi in 2 grandi categorie Campi Fondamentali quantità determinata che rappresenta il momento angolare intrinseco della particella (idea intuitiva di spin: particella come “trottola” in rotazione è falsa: oggetto puntiforme non può ruotare su stesso) campi suddivisi in 2 grandi categorie fermioni = spin semidispari (1/2, 3/2, …) bosoni = spin intero (0,1, 2, …)

Campi Fondamentali 2 tipi diversi di campi osservati in natura Campi Materiali fermioni a spin 1/2 leptoni quarks Mediatori Interazioni bosoni

Campi Materiali Campo q/e m (GeV) 1^ Famiglia 2^ Famiglia 3^ Famiglia -1 5 x 10-4 e < 3 x 10-9 1^ Famiglia u 2/3 3 x 10-3 d -1/3 6.8 x 10-3  -1 0.106  < 1.9 x 10-4 2^ Famiglia c 2/3 1.2 s -1/3 0.12  -1 1.78  < 18.2 x 10-3 3^ Famiglia t 2/3 174.3 b -1/3 4.3

Campi Materiali Dove sono il protone, il neutrone, i pioni, … ?? Esperimenti di diffusione di elettroni su protoni/neutroni mostrano che quest’ultimi non sono particelle elementari, ma possiedono componenti interni: quarks (Gell-Mann, Zweig) Caratteristiche essenziali dei quarks carica elettrica frazionaria (+/- 1/3, +/- 2/3) carica di colore  ciascun tipo (sapore) esiste in 3 versioni: rosso, verde, blu (antiquarks portano anticolore)

Natura aborre stati di colore isolati: mai osservati quarks liberi Campi Materiali Regole di combinazione dei quarks: solo oggetti bianchi, ovvero {RVB} oppure {colore – anticolore}, a carica elettrica intera (o nulla) Esempio: protone e neutrone  tripletti di quarks p = {u, u, d} n = {d, d, u} pioni  coppie quark-antiquark + = {u, } - = {d, } Natura aborre stati di colore isolati: mai osservati quarks liberi

Interazioni Gravitazione & E.M*.: familiari nella vita quotidiana (causa il raggio d’azione infinito) Debole*: responsabile della radioattività  (decadimento del neutrone n  p + e- + e ) Forte: inizialmente ritenuta responsabile del legame nucleare e mediata dal pione. Natura composta di p, n,   interpretata come residuo dell’interazione di colore tra quarks mediata da gluoni colorati (trasportano colore-anticolore  8 combinazioni diverse) * in realtà manifestazioni di una stessa interazione: Elettrodebole (Glashow, Weinberg, Salam)

4 interazioni per spiegare tutto l’Universo Carica Azione R (cm) Forza Interazione Gravitazionale energia   10-43 Q , L E. M. elettrica  10-2 Debole debole 10-15  10-5 Forte (Colore) colore 10-13 1 Q 4 interazioni per spiegare tutto l’Universo

Interazioni Interazione Mediatore Spin m (GeV) Gravitazionale Gravitone (G) 2 Elettromagnetica Fotone () 1 Debole 3 Bosoni (W, Z0) 80.4, 91.2 Forte (Colore) 8 Gluoni (gi)

The Standard Model Gravity ? H Higgs boson

Il campo di Higgs ASIMMETRIE (n. 8) (www.asimmetrie.it)

Higgs @ LHC

Higgs → 2 fotoni

Higgs → 2 fotoni

Questioni aperte Interazioni ? 4 invece di 1 ? così diverse agiscono su classi diverse di particelle: quella di colore solo sui quarks intensità completamente differenti mediate da campi con proprietà diverse ? Gravità così debole FCoulomb FNewton  10-40 (a bassa energia) tra 2 e- :

Qual’è la vera origine della massa ? Questioni aperte ? 3 Famiglie mt  108 me m  10-9 me ? masse cosí diverse Qual’è la vera origine della massa ? ? Quarks & Leptoni G.U.Theory Predizione scioccante: decadimento del protone  il destino ultimo dell’Universo non prevede la materia di cui siamo fatti

Questioni aperte ? Bosoni & Fermioni Nuova simmetria correla bosoni & fermioni  per ogni bosone (fermione) esiste partner supersimmetrico fermionico (bosonico) Supersimmetria esistenza di nuova forma di materia: particelle supersimmetriche  soluzione problema della materia oscura ?? (solo 4.5 % della materia dell’universo è in forma di particelle ordinarie)

Questioni aperte Modello Standard + Supersimmetria G.U. gravità e.m. (Intensità)-1 10 50 20 30 40 60 e.m. debole colore e.m. debole colore G.U. E (GeV) 102 1012 1014 1016 1018 1

Questioni aperte Problema gerarchico ? cosí distanti Higgs E (GeV) unificazione E.W. unificazione E.W. - Colore particelle supersimmetriche ? Scala di Planck e  c b t 1012 1015 1018 109 106 103 100 10-3 E (GeV) W Higgs

modifica della legge di Newton a piccole distanze Questioni aperte ? Gravità incompatibile con M.Q. ha a che fare con la “debolezza” della gravità ? ? Spaziotempo ha 3 + 1 dimensioni aggiunta di dimensioni spaziali extra attraverso cui si propaga solo la gravità, mentre le altre interazioni agiscono solo nello spaziotempo ordinario  soluzione problema gerarchico modifica della legge di Newton a piccole distanze

Questioni aperte Le particelle sono veramente puntiformi ? Teoria delle Stringhe ulteriore livello microscopico: particelle non sono puntiformi, ma piccole (10-33 cm) corde oscillanti diversi stati di oscillazione della stringa  particelle diverse

Questioni aperte Conseguenze della Teoria delle Stringhe: dimensionalità spaziotempo = 9 + 1 nell’equazione fondamentale della teoria è presente (D - 10) x (termine problematico) rende instabile la teoria altre 6 dimensioni spaziali sono “arrotolate” su distanze dell’ordine di 10-33 cm  inosservabili alle energie a noi accessibili

Problema: manca la matematica!! Questioni aperte risoluzione conflitto M.Q. – Gravitazione tra le oscillazioni della stringa una ha massa nulla e spin = 2 → gravitone Problema: manca la matematica!! solo Stringhe ?  membrane p-dimensionali teoria M  viene aggiunta ulteriore dimensione spaziale

Astroparticle Physics Leggi d’interazione universali (indipendenza da luogo e tempo)  estrapolazione nel passato (e nel futuro) Biologia FdP Chimica Fisica Nucleare Astrofisica

t a T ∞ Quale Fisica ? Gravità Quantistica Era di Planck t ~ 10-43 s E ~ 1019 GeV