Laboratori Nazionali di Frascati INFN Masterclass 2011 Introduzione al corso Danilo Domenici Laboratori Nazionali di Frascati INFN

Fisica delle Particelle La fisica delle particelle è la branca della fisica che studia i costituenti fondamentali e le interazioni fondamentali della materia. Talvolta viene anche usata l’espressione fisica delle alte energie, quando si vuole far riferimento allo studio delle interazioni tra particelle elementari che si verificano ad altissima energia che permettono di creare particelle non presenti in natura in condizioni ordinarie, come avviene negli acceleratori di particelle. Wikipedia

E’ possibile ricondurre l’intera realtà conosciuta ad un piccolo numero di componenti fondamentali interagenti tra loro attraverso poche leggi note?

ατομος Ma che significa “fondamentale”? Per Aristotele e i greci antichi fondamentali erano i 4 elementi: Aria, Terra, Acqua e Fuoco fondamentale = a fondamento della natura Democrito nel 400 a.C. ipotizza che tutta la materia sia costituita da particelle fondamentali ατομος fondamentale = indivisibile, non costituito da niente di più piccolo

Mendeleev nel 1869 introduce in Chimica la Tavola Periodica degli Elementi I 92 atomi conosciuti sono classificati in base al Numero atomico (Z) La regolarità delle loro proprietà chimiche indica che devono essere costituiti da qualcosa di più piccolo (carica elettrica)

Rutherford, 1905: Modello planetario dell’atomo Gli atomi sono costituiti da: Un nucleo elettricamente positivo, con una carica uguale al suo Numero atomico Una nube elettronica elettricamente negativo che bilancia la carica nucleare e rende l’atomo elettricamente neutro Gli orbitali esterni determinano il legame chimico. Atomi con orbitali esterni simili occupano posizioni simili nella tavola periodica

Esperimento di Rutherford Il nucleo era piccolo, solido e denso: sembrava veramente fondamentale. Solo nel 1932 si capì che era invece costituito da protoni e neutroni J. Chadwick

In un protone ci sono 3 quark: Gell-Mann, 1963. I Quark Oggi sappiamo che neanche protoni e neutroni sono fondamentali, ma costituiti da quark Tutte le particelle note (sono centinaia!) si ottengono da combinazioni di quark u Oggi, dopo anni di test sperimentali, siamo convinti che i quark siano finalmente particelle fondamentali indivisibili u d In un protone ci sono 3 quark: 2 di tipo UP, 1 di tipo DOWN

6 Quark

6 Quark

La struttura dell’atomo La figura non è in scala: se facessimo i protoni e i neutroni di 1cm tutto l’atomo sarebbe largo quanto 30 campi di calcio! L’atomo è vuoto!!!

Che cosa tiene insieme queste particelle? L’universo esiste perché le particelle elementari interagiscono. Queste interazioni includono l’attrazione, la repulsione, il decadimento e l’annichilazione Ci sono 4 interazioni fondamentali tra le particelle, e tutte le forze nell’universo sono causate da queste 4 interazioni! Forza Elettromagnetica: tiene insieme gli atomi Forza Forte: tiene insieme i nuclei Forza Debole: fa trasformare i nuclei Forza Gravitazionale: tiene insieme le galassie

Il Modello Standard I fisici hanno sviluppato una teoria che spiega di cosa è fatto il mondo e che cosa lo tiene insieme. E’ una teoria semplice che spiega centinaia di particelle e complesse interazioni con solo: 6 quark (u,d,s,c,b,t) 6 leptoni (e,µ,τ,νe,νµ,ντ) 3 interazioni (forte, elettromanetica e debole) In realtà le cose sono un po’ più complicate... c’è anche l’anti-materia: 6 anti-quark e 6 anti-leptoni le interazioni si riducono a 2: forte (o adronica) e elettro-debole le forze sono veicolate da 4 particelle, dette bosoni: gluone (forza forte), fotone, W, Z (per la forza elettro-debole) Il MS è una buona teoria. E’ stato confermato sperimentalmente con grandissima precisione e (quasi) tutte le particelle predette sono state trovate. Ma non spiega la Gravità

P. Higgs H Higgs boson ?

Il Modello Standard delle Particelle e delle Interazioni MATERIA FORZE u c t g g d s b W Z Quark Bosoni di Gauge ne nm nt H Bosone di Higgs ? e m t Leptoni Il Modello Standard delle Particelle e delle Interazioni

L’antiparticella è uguale alla particella con carica di segno opposto. Antimateria Per ogni particella esiste anche la corrispondente particella di antimateria. L’antiparticella è uguale alla particella con carica di segno opposto. P. Dirac 1920 C. Anderson 1964 L’antimateria viene creata comunemente negli acceleratori di particelle. Però l’Universo osservato è interamente composto di materia.

2 nuove teorie sviluppate all’inizio del ‘900 Meccanica Quantistica Piccole dimensioni λ = h/p Fisica Classica F = ma Relatività Speciale Grandi velocita’ E = mc2

2 nuove teorie sviluppate all’inizio del ‘900 I. Newton Piccole dimensioni Grandi velocità Meccanica Classica F = ma Relatività Speciale Meccanica Quantistica E = mc2 λ = h/p dualità onda-parrticella natura probabilistica della realtà abbandono del tempo assoluto equivalenza massa-energia

Questioni aperte del Modello Standard Perché nell’Universo osserviamo principalmente materia e pochissima antimateria? Cosa è la “materia oscura” che ha effetti sulla forma dell’Universo? Perché il Modello Standard non predice le masse delle particelle? Quark e leptoni sono fondamentali o sono fatti di particelle ancora più piccole? Perché ci sono proprio 3 famiglie di fermioni? Come si inserisce la Gravità in tutto questo?

Struttura del corso BUON PROSEGUIMENTO ! Il corso comprende: Un excursus teorico sulla moderna fisica delle particelle e sui suoi problemi ancora irrisolti (G. Isidori) Cenni sugli acceleratori di particelle (C. Milardi) Cenni sui rivelatori di particelle (D. Domenici) Un esempio interattivo di analisi dei dati di un moderno rivelatore (P. Di Nezza, M. Dreucci) Un seminario sul più grande acceleratore del mondo: LHC al CERN (P. Campana) BUON PROSEGUIMENTO !