Il modello standard delle forze

Vocabolario delle particelle Le costanti Costante di Planck h = 6,6 X 10-34 Joule secondo Velocità della luce c = 3 108 metri/secondo Costante di Planck ridotta (h tagliato) = h/2p

Vocabolario delle particelle Le scale di energia Elettronvolt (eV) 1 eV = 1,6 10-19 Joule Kiloelettronvolt 1 Kev = 103 eV Megaelettronvolt 1 Mev = 106 eV Gigaelettronvolt 1 Gev = 109 eV Teraelettronvolt 1 Tev = 1012 eV Scala di energia

Vocabolario delle particelle Le relazioni Equivalenza massa – energia: E = m c2 Relazione di Planck tra energia e frequenza: E = h n Relazione di DeBroglie tra quantità di moto e lunghezza d’onda p = h/l

Vocabolario delle particelle Il momento angolare Il momento angolare di una particella si chiama SPIN L = m v r r

Vocabolario delle particelle Le regole Lo spin di una particella può essere solo un multiplo intero (1, 2, 3…) o semiintero (1/2, 3/2, 5/2…) della costante ridotta Costituiscono la materia Costituiscono le forze Spin semiintero: FERMIONI Spin intero: BOSONI

Vocabolario delle particelle Le regole La carica elettrica di una particella è pari alla carica dell’elettrone o a una sua frazione semplice (1/3, 2/3) Carica intera: LEPTONI Carica frazionaria: QUARK

Vocabolario delle particelle Le regole Per ogni particella esiste un’ANTIPARTICELLA, dotata delle stesse caratteristiche ma con carica di segno opposto. Le particelle prive di carica sono le antiparticelle di se stesse.

Vocabolario delle particelle Le regole I principi di conservazione “classici”: Energia Quantità di moto Momento angolare Carica elettrica

Vocabolario delle particelle Le regole Un nuovo principio di conservazione: C: coniugazione di carica P: parità T: inversione temporale CPT Se si cambia segno a tutte le cariche (C) si scambia la destra con la sinistra (P) e si inverte il segno del tempo (T) tutte le leggi che regolano i fenomeni fisici restano immutate

Cos’e’ una particella ? Un ente fisico rilevabile, almeno per un certo tempo, come una ente singolo, dotato di caratteristiche ben definite: MASSA CARICA ELETTRICA SPIN

Fotografie da camere a nebbia Come rilevare una particella ? Esistono vari tipi di rilevatore: uno dei più antichi è la camera a nebbia, che mette in rilievo la scia lasciata da una particella Fotografie da camere a nebbia

La teoria classica delle forze Le particelle materiali interagiscono tra di loro attraverso CAMPI DI FORZA, come il campo elettrico, enti definiti in tutto lo spazio in grado di mediare lo scambio di energia tra corpi. L’energia si propaga nel campo sotto forma di onde, dotate di propria frequenza e lunghezza d’onda.

La teoria Quantistica delle forze L’energia dei campi di forza si presenta sempre sotto forma di “pacchetti” indivisibili, detti QUANTI del campo, che in opportuni esperimenti sono rilevabili come singole particelle. L’azione tra due particelle-materia si attua con lo scambio di una o più particelle-forza

La teoria Quantistica delle forze Il legame tra le caratteristiche del campo (energia, lunghezza d’onda, frequenza) e quelle delle particelle (massa, quantità di moto) è dato dalle relazioni di Einstein, Planck e DeBroglie.

La teoria Quantistica della materia Anche le particelle materiali sono i quanti di opportuni campi. La descrizione quantistica di forze e materia è unitaria. La distinzione tra campi materiali e campi di forze è a volte convenzionale.

La rappresentazione grafica delle interazioni tra particelle Diagrammi di Feynmann Particella-materia Particella- forza Particella entrante o antiparticella uscente Antiparticella entrante o particella uscente

esempi Decadimento del protone Annichilazione elettrone-positrone u g u d Decadimento del protone g e+ Annichilazione elettrone-positrone e- e- Autointerazione dell’elettrone

Le famiglie delle particelle Leptoni Carichi Neutri Elettrone Neutrino elettronico Muone Neutrino muonico Tauone Neutrino tauonico

Le famiglie delle particelle Caratteristiche dei leptoni: Sono tutti fermioni Hanno carica uguale a quella dell’elettrone o sono neutri L’elettrone e i neutrini sono stabili, mu e tau decadono formando elettroni e neutrini

Le famiglie delle particelle Quark Carica = -1/3e Carica = 2/3e Down (d) Up (u) Stange (s) Charm (c) Bottom (b) Top (t)

Le famiglie delle particelle Caratteristiche dei quark: Sono tutti fermioni Non esistono mai singoli, ma si legano a due o a tre. Due d e un u formano il neutrone, due u e un d il protone. up e down sono stabili, mentre gli altri decadono in u e d.

La gerarchia delle masse Particella Massa (Mev) Neutrini piccola, ma non nulla Elettrone 0,51 Mu 106,6 Tau 1784 Up, Down 310 Strange 505 Charm 1500 Bottom 5000 Top 22500

Le forze fondamentali Elettromagnetica Forte Debole Agisce tra atomi e molecole, fino a livello macroscopico Formazione dei nuclei, reazioni nucleari Decadimento del neutrone, reazioni nucleari

Le particelle mediatrici delle forze (bosoni intermedi) Mediatori della forza elettromagnetica FOTONI Privi di massa e carica elettrica Sono stabili, quindi il raggio d’azione della forza è infinito

Le particelle mediatrici delle forze (bosoni intermedi) Mediatori della forza debole BOSONI W+, W- , Z° Hanno massa, e le W hanno anche carica elettrica. Sono instabili, quindi il raggio d’azione della forza è molto piccolo

Le particelle mediatrici delle forze (bosoni intermedi) Mediatori della forza forte GLUONI Sono privi di massa e di carica elettrica. Sono instabili, quindi il raggio d’azione della forza è molto piccolo

Caratteristiche dei bosoni Particella Massa Carica Raggio Intensità della . (GeV) d’azione forza Gluone 0 0 10-15 m 1 Fotone 0 0 infinito 10-2 W+ 81 +1 10-18 m 10-13 W- 81 - 1 10-18 m 10-13 Z° 93 0 10-18 m 10-13

Particelle e forze I neutrini risentono solo della forza debole I restanti leptoni risentono sia della debole che di quella elettromagnetica, ma non della forte I quark risentono di tutte e tre le forze

Le sorgenti delle forze: le cariche La sorgente della forza elettromagnetica è la carica elettrica: solo le particelle dotate di carica possono interagire secondo le note regole: cariche opposte si attraggono cariche uguali si respingono Nel modello standard, la forza debole è unificata con quella elettromagnetica

Le sorgenti delle forze: le cariche La sorgente della forza forte è la carica di colore che può assumere tre valori: rosso, verde e blu per i quark, antirosso, antiverde e antiblu per gli antiquark. I quark non possono mai esistere isolatamente, ma solo in agglomerati di colore bianco. Ad esempio: Rosso + verde + blu = bianco (dà un protone) Rosso + antirosso = bianco (dà un mesone)

Gli effetti della forza forte Per effetto dell’interazione forte, tre quark di colore diverso si uniscono a formare un protone o un neutrone In effetti, neutroni e protoni sono un “agglomerato” di quark e gluoni u u d u d d Neutrone Protone

Gli effetti della forza forte L’interazione forte tra i quark di diversi nucleoni li fa unire tra di loro, formando i nuclei degli elementi Questa forza può far fondere tra di loro due nuclei (fusione nucleare) Deuterio Elio

Gli effetti della forza elettromagnetica L’interazione elettromagnetica fa unire gli elettroni ai nuclei per formare gli atomi

Gli effetti della forza elettromagnetica La residua forza elettromagnetica tra elettroni di atomi diversi fa unire gli atomi a formare molecole, cristalli e in generale corpi macroscopici

Gli effetti della forza debole La forza debole è responsabile di alcuni fenomeni come il decadimento del neutrone, che si trasforma in un protone, un elettrone e un antineutrino elettronico Elettrone Protone Neutrone Antineutrino

Le intensità delle forze Cio’ che il modello non spiega Le intensità delle forze Non si sa perché la forza elettromagnetica debba avere una certa intensità e la forza debole un’altra Nel modello standard le diverse intensità sono regolate in modo da soddisfare i dati sperimentali

Le masse delle particelle Cio’ che il modello non spiega Le masse delle particelle Non si sa perché le particelle debbano avere le masse che hanno e non altre Nel modello standard le masse vengono introdotte come dati sperimentali

La teoria di higgs Nella teoria di Higgs le particelle non hanno massa in origine, ma la acquistano interagendo con un campo di forze, detto campo di Higgs Questa massa è dunque l’energia di interazione col campo e dipende dall’intensità dell’interazione

La teoria di higgs Il quanto di questo campo si chiama particella di Higgs, e avrebbe avuto un ruolo decisivo nel Big Bang, producendo l’inflazione La particella di Higgs finora non è mai stata rilevata

Questioni irrisolte La forza di gravità La migliore teoria attuale della gravitazione è una teoria classica (campi senza quanti) La teoria quantistica non è ancora abbastanza sviluppata e non si integra nel modello standard

Questioni irrisolte Perché quattro forze? La questione non è chiara: c’è comunque la possibilità che esista anche una quinta forza, che agisce su scala cosmica e provoca un’accelerazione dell’espansione dell’universo

La grande unificazione Questioni irrisolte La grande unificazione A grandi energie le forze più intense decrescono e le forze più deboli aumentano di intensità A un certo punto le quattro forze della natura diventano una sola?

La grande unificazione Questioni irrisolte La grande unificazione La grande unificazione implica l’esistenza di nuove particelle, dette supersimmetriche, di energia troppo grande per essere rilevate dagli acceleratori Particelle di questo tipo potrebbero essersi create nei primi istanti del Big Bang

Questioni irrisolte WIMPS Particelle massicce debolmente interagenti (wimps) potrebbero essere sopravvissute fino ai giorni nostri e venir rilevate in opportune condizioni

Un livello più profondo Questioni irrisolte Un livello più profondo Le particelle elementari sono veramente elementari o potrebbero essere a loro volta fatte di altre particelle? Per ora questo argomento è puramente speculativo e non ha basi sperimentali