Le particelle elementari Masterclass Europea in Fisica delle Particelle Elementari Teachers’ day – Torino, 18 marzo 2006 Nicolo Cartiglia -INFN Torino

Cosa vuol dire studiare “Fisica delle Particelle Elementari” ? Vuol dire cercare di rispondere a domande tipo: Di cosa è fatta la materia che ci circonda? Quale origine hanno le forze che tengono insieme i componenti della materia? Nicolo Cartiglia -INFN Torino

Nicolo Cartiglia -INFN Torino Riduzionismo Il riduzionismo e’ il processo fondamentale usato in fisica per la comprensione della realta’: Le proprieta’ dei sistemi complessi si possono interpretare in termini delle proprieta’ delle parti piu’ semplici che li compongono e delle forze che intervengono a comporli Nicolo Cartiglia -INFN Torino

Comportamenti emergenti Una proprietà emergente è una proprietà di qualche totalità complessa che non può essere spiegata nei termini delle proprietà delle sue parti. “Senatores boni viri, senatus autem mala bestia” Comportamenti emergenti sono spesso invocati in altre discipline tipo le scienze sociali o biologia Nicolo Cartiglia -INFN Torino

Riduzionismo in altre scienze In fisica delle particelle il “riduzionismo” e’ universalmente accettato. In biologia (come in altre scienze) la situazione e’ molto meno chiara. Vi e’ un dibattito molto intenso per capire se la soluzione a problemi complessi (cancro, schizofrenia, depressione..) sia trovabile attraverso lo studio del genoma (riduzionismo). Nicolo Cartiglia -INFN Torino

La fisica delle particelle L’approccio riduzionista in fisica delle particelle ha portato a moltissimi progressi. Ogni ulteriore livello di “riduzione” porta con se` una grande quantita’ di informazioni. Il passaggio da un livello a quello successivo avviene attraverso lo studio di regolarita’ che indicano la presenza di una sotto-struttura Nicolo Cartiglia -INFN Torino

Nicolo Cartiglia -INFN Torino Sottostrutture Regolarita’ negli atomi Regolarita’ nei nuclei Nicolo Cartiglia -INFN Torino

Il cammino degli ultimi 50 anni Nicolo Cartiglia -INFN Torino

Nicolo Cartiglia -INFN Torino Il modello Standard La teoria che ci aiuta a capire le particelle elementari e’ chiamata Modello Standard Il modello standard vuole descrivere sia la materia che tutte le forze dell'universo (esclusa la gravità). La sua bellezza consiste nella capacità di spiegare centinaia di particelle e interazioni complesse con poche particelle e interazioni fondamentali. Alto potere predittivo Confutabile Incompleto Nicolo Cartiglia -INFN Torino

Nicolo Cartiglia -INFN Torino Il modello Standard Idea chiave: Ci sono due generi di particelle: particelle che sono materia (i quark ed i leptoni) particelle che mediano le forze (ogni tipo di interazione fondamentale agisce "mediante" una particella mediatrice di forza) In seguito la gravita` viene inclusa nella discussione anche se in realta’ non appartiene al modello standard. Nicolo Cartiglia -INFN Torino

Il Modello Standard: le particelle Carica elettrica 3 generazioni I mediatori: g gluoni (8) g fotone W+,W-, Z bosoni gravitone piu’ pesante u c t +2/3 quark s -1/3 d b ne nm nt leptoni e m t Fondamentali: queste particelle sono ritenute senza struttura interna (anche se non e` esclusa) -1 Nicolo Cartiglia -INFN Torino

Il Modello Standard: le forze Le particelle elementari interagiscono tra loro tramite messaggeri, Le forze che conosciamo in natura sono: Caduta dei corpi, moto stellare… messaggero: gravitone Forza gravitazionale: Forza elettromagnetica: magneti, atomi, chimica… messaggero: fotone tiene uniti i protoni e i neutroni nel nucleo anche se di carica uguale e tiene uniti i quark messaggero: gluone Forza forte: Forza debole: radioattività, attività solare … messaggeri: W e la Z Nicolo Cartiglia -INFN Torino

Il Modello Standard: materia ed antimateria Il Modello Standard prevede che per ogni particella di materia ci sia la sua anti-particella. - i mediatori non hanno le antiparticelle: non esistono gli anti-gluoni o gli anti-fotoni! - le anti-particelle hanno cariche opposte a quelle delle particelle - se una particella e la sua anti-particella si incontrano si annichilano Nicolo Cartiglia -INFN Torino

Spostati, mi manda uno della tua stessa carica Le forze ed i messaggeri E’ importante sottolineare che nel Modello Standard le forze agiscono perche’ sono trasmesse da una particella. Non esistono forze “a distanza” ma affinche’ una forza agisca il suo messaggero deve andare da una particella ad un’altra. Spostati, mi manda uno della tua stessa carica + + Nicolo Cartiglia -INFN Torino

Nicolo Cartiglia -INFN Torino Le forze e le cariche I messaggeri delle forze si accoppiano a qualita’ specifiche delle particelle chiamate cariche Forza Accoppiamento Quantita’ Elettromagnetica Carica elettrica 1 Forte Colore 3 (rosso, blu, verde) Gravita’ Massa Nota: la carica elettrica e’ una sola, che puo` essere positiva o negativa. Per il colore le cariche sono 3 ed anche loro possono essere positive o negative. Nicolo Cartiglia -INFN Torino

Le forze non agiscono su tutte le particelle Nicolo Cartiglia -INFN Torino

Nicolo Cartiglia -INFN Torino La forza di colore La forza di colore e’ molto diversa dalle altre Ci sono 3 cariche (3 colori): Lo scambio di un gluone puo` cambiare il colore del quark. I gluoni sono colorati, cioe’ sono carichi, e quindi interagiscono tra di loro g Nicolo Cartiglia -INFN Torino

Nicolo Cartiglia -INFN Torino Interazione di colore Nota: L’interazione cambia il colore dei quark (non sempre) mentre i fotoni non cambiano il valore di una carica I gluoni hanno carica, mentre il fotone e’ neutro. Ci sono 8 gluoni, ciascuno porta una unita di colore ed una unita` di anti-colore: RR, GG, BB, BG… Nicolo Cartiglia -INFN Torino

Le forza di colore (cont-) Il fatto che i gluoni interagiscono fra di loro rende la forza forte completamente diversa dalle altre: aumenta con la distanza! Due particelle colorate non possano essere separate: piu` le si allontana e piu` la forza aumenta fino a che nelle linee di forza c’e’ cosi’ tanta energia che altre particelle vengono create Non si puo` avere una carica di colore libera e quindi tutte le particelle “libere” devono essere bianche Nicolo Cartiglia -INFN Torino

Le forze attrattive e repulsive Le forze in natura sono molto diverse tra loro. Vediamo degli esempi di sistemi legati : particella - particella particella-particella-particella particella -antiparticella Elettromagnetica No Si Forte Gravita’ Nicolo Cartiglia -INFN Torino

I “diagrammi” delle forze Nel Modello Standard ogni interazione puo` essere descritta in termini di un diagramma e di un numero, la costante di accoppiamento a, che descrive quanto quel vertice sia probabile a ~ 1/137 a ~ 0.000001 a ~ 1 a_gravita’ ~ 10-39 Nicolo Cartiglia -INFN Torino

Leggi di conservazione La somma dei diagrammi permessi generano delle leggi di conservazione. Energia Momento Momento angolare Carica elettrica Carica di colore (quark e gluoni) Numero di quark (numero di quark meno gli antiquark) Numero elettronico (numero di elettroni piu numero di neutrini elettronici meno il numero delle loro antiparticelle) Numero muonico Numero tauonico Queste regole sono assolute, tutte le reazioni devono obbedirle. Ci sono altre leggi obbedite solo dalle interazioni forti Nicolo Cartiglia -INFN Torino

Forze: tabella riassuntiva Interazione Mediatore Forza Raggio Vita media EM g 1/137 Infinito 10 - 20 Weak W, Z 10 - 6 10 - 18 m 10 - 8 Strong G 1 10 – 15 m 10 - 23 Gravity 10 - 39 In caso di competizione vince la forza che agisce prima! Nicolo Cartiglia -INFN Torino

Interazioni tra molte particelle Il Modello Standard descrive l’interazione tra due particelle, non il comportamento di un sistema complesso quale un atomo. Per spiegare sistemi a “multicorpi” si usano strumenti diversi che descrivono in modo globale il comportamento di molte particelle. Esempio tipico e’ la termodinamica: nessuno usa le equazioni del Modello Standard per spiegare il comportamento di un gas: PV = nRT Nicolo Cartiglia -INFN Torino

Particelle: comuni e rare b nt I mediatori: g gluoni (8) g fotone W+,W-, Z bosoni Si possono produrre in laboratorio u d e La materia di cui siamo fatti e’ della I generazione s m ne nm Raggi cosmici Nicolo Cartiglia -INFN Torino

Come si creano le particelle in laboratorio? Attraverso urti tra particelle si possono creare altre particelle: l’energia delle particelle viene trasformata in materia! protone quark Einstein: E=mc2 la massa si può trasformare in energia e viceversa. protone Nicolo Cartiglia -INFN Torino

Anti-materia al lavoro Se negli urti si usano particelle ed anti-particelle non solo l’energia del moto e’ disponibile per creare nuove particelle ma anche la massa delle particelle entranti Un quark ed un anti-quark si annichilano e formano nuove particelle Nicolo Cartiglia -INFN Torino

Nicolo Cartiglia -INFN Torino I decadimenti Le particelle piu` pesanti (sia elementari che composte) decadono in particelle piu` leggere I decadimenti avvengono seguendo le regole (per esempio la conservazione della carica) descritte dal Modello Standard nm W m ne e Nicolo Cartiglia -INFN Torino

Lo zoo delle particelle: adroni Negli urti si creano centinaia di particelle che sono in realta` stati legati: Barioni (qqq): p,n Mesoni (q-anti q): p,K,w,r,y s c t b u d Nicolo Cartiglia -INFN Torino

Simmetrie nella fisica delle particelle Le particelle prodotte negli urti possono essere “catalogate” in famiglie: evidenza di sottostruttura! Queste simmetrie sono state usate per predire particelle mancanti K0 K+ S= -1 Π- π0 ; η π+ S= 0 Q=1 S= 1 K- ¯K0 Q=-1 Q=0 Nicolo Cartiglia -INFN Torino

Nicolo Cartiglia -INFN Torino Simmetrie (cont-) Le simmetrie sono anche una guida nella ricerca di nuovi fenomeni. La scoperta dei quark ne e’ un’esempio: c 1974 t 1995 ! u Situazione iniziale: b 1977 d s Nicolo Cartiglia -INFN Torino

Due grandi gruppi: fermioni e bosoni Il valore dello spin determina differenze fondamentali tra le particelle. Se lo spin e’ intero allore le particelle sono bosoni, altrimenti fermioni Nicolo Cartiglia -INFN Torino

Nicolo Cartiglia -INFN Torino Fermioni e Bosoni I fermioni rispettano il Principio di esclusione di Pauli: Non possono esistere nello stesso posto nello stesso tempo due particelle nello stesso stato (identico spin, identica carica di colore, identico momento angolare, etc.) I fermioni sono come noi (non ci possiamo sedere in un posto al cinema gia’ occupato) mentre le particelle sorprendenti sono i bosoni per cui c’e’ sempre posto al ristorante… Un camion porta-bosoni: Nicolo Cartiglia -INFN Torino

Fermioni e Bosoni (cont-) Effetti fermionici: I livelli energetici degli elettroni negli atomi (gli orbitali) si popolano perche’ gli elettroni (che sono fermioni) non possono stare tutti nel livello piu` basso Effetti bosonici: Il laser, sovrapposizione coerente di fotoni, puo` capitare solo perche’ i fotoni sono bosoni Nicolo Cartiglia -INFN Torino

Come si studiano le particelle elementari? Le particelle si studiano misurandone: la massa la carica la vita media lo spin (la “velocita’ ” di rotazione) gli stati eccitati Gli adroni (fatti da quark) si catalogano a seconda della loro composizione interna e momento angolare. Sono stati trovati piu` di duecento adroni. Purtroppo ultimamente non si sono piu` trovate particelle inaspettate… Nicolo Cartiglia -INFN Torino

Stati eccitati delle particelle elementari Cosi’ come e’ capitato per l’atomo lo studio dei livelli eccitati di una particella e’ di grande aiuto per capirne la sua dinamica interna. Consideriamo la particella J/Psi, stato legato formato dal quark c – antiquark c: Lo studio di questi livelli aiuta la comprensione della teoria del colore. Nicolo Cartiglia -INFN Torino

Come si calcola un processo nel Modello Standard? Il primo passo per calcolare un processo e’ scrivere il “diagramma di Feynman” corrispondente. Dopodiche si calcolano i termini. Vediamo degli esempi di diagrammi: Decadimento del neutrone Decadimento del pione Ogni vertice e linea interna ha una certa probabilita’. Nicolo Cartiglia -INFN Torino

Da dove viene la massa delle particelle composte (adroni)? Il protone e’ composto da 3 quark: uud La somma delle masse dei quark uud e’ molto piu` piccola dalla massa del protone: La differenza di massa e’ dovuta alle interazioni tra i quark. Anche se in teoria si sanno calcolare queste interazioni, in pratica non si riescono ad ottenere le masse degli adroni. Nicolo Cartiglia -INFN Torino

Da dove viene la massa delle particelle fondamentali? u d c s t b e m ne nm nt Massa (GeV) ~0.001 ~1.5 ~180 ~0.001 ~0.1 ~4.5 ~0. ~0. ~0. ~0.0005 ~0.100 ~1.7 Le particelle forza Massa g gluoni (8) 0 g fotone 0 W+,W-, Z bosoni 80/90 GeV Il modello standard non predice le masse delle particelle. I valori delle masse sono stati misurati sperimentalmente Nicolo Cartiglia -INFN Torino

La massa delle particelle fondamentali Colpiamo con la forza di un Newton due palle di massa molto piccola, una quasi liscia ed una rugosa, posate su di un tappeto soffice. Ne misuriamo l’accelerazione: a = 1 m/s2 a = 0.5 m/s2 1 N Calcoliamone la massa assumendo che non ci sia attrito: = 1 Kg = 2 Kg Assunzione sbagliata Risposta sbagliata Nicolo Cartiglia -INFN Torino

Nicolo Cartiglia -INFN Torino La massa (cont-) Trasportiamo quest’esempio alle particelle elementari. Consideriam il quark top e l’elettrone: Il quark top pesa circa 300.000 volte piu` dell’elettrone. Nel modello standard entrambe hanno massa nulla! Sembrano che abbiano massa perche` si muovono (con fatica) interagendo con il campo di Higgs Elettrone Top Campo di Higgs Nicolo Cartiglia -INFN Torino

Nicolo Cartiglia -INFN Torino La massa (cont -) Idea chiave: Nel Modello Standard le particelle non hanno massa. La massa e’ una proprieta’ che viene acquisita attraverso l’interazione con il bosone di Higgs: sembrano avere massa perche` interagiscono con il bosone di Higgs e diventano piu` difficili da spostare. Nicolo Cartiglia -INFN Torino

La domanda attuale: esiste il “Bosone di Higgs” ? Al momento non abbiamo nessuna evidenza sperimentale dell’esistenza del bosone di Higgs….. E’ possibile che la teoria sia giusta e che il bosone di Higgs venga misurato ad LHC, la prossima macchina in costruzione al CERN di Ginevra. E’ anche possibile che la teoria non sia giusta e che non si trovi niente. Nicolo Cartiglia -INFN Torino

Nicolo Cartiglia -INFN Torino Problema ulteriore Supponiamo di trovare il bosone di Higgs: straordinario successo della teoria, finalmente sappiamo perche` abbiamo massa (anche troppa): Bosone di Higgs dieta Domanda: perche’ l’elettrone si accoppia meno del quark top con il bosone di Higgs ed e’ quindi piu` leggero? Tristemente non abbiamo una risposta a una domanda cosi` ovvia Nicolo Cartiglia -INFN Torino

Nicolo Cartiglia -INFN Torino Ulteriori problemi Nel Modello Standard ci sono molte altre cose che non capiamo Per esempio: Perche le generazioni sono 3? C’e’ una sottostruttura? Perche le masse sono quelle che sono? Dov’e’ finita l’antimateria creata nel Big-Bang? Dove la mettiamo la gravita’? La soluzione a questi ed altri problemi non la si sa. La possibilita’ piu` accettata al momento e’ che il Modello Standard sia solo una parte di una teoria piu` grande chiamata la “Supersimmetria” Nicolo Cartiglia -INFN Torino

Nicolo Cartiglia -INFN Torino La Supersimmetria La “Supersimmetria” risolve molti problemi teorici ed introduce per ogni particella nota un compagno “supersimmetrico” Putroppo fino ad adesso nessuna particella supersimmetrica e’ stata trovata….. Nicolo Cartiglia -INFN Torino

Nicolo Cartiglia -INFN Torino Grande unificazione Il sogno finale e’ di avere un’unico modello che spiega “tutto”. Queste teorie vengono chiamate GUT, Teorie di Grande Unificazione. Il primo passo e’ stato fatto… Livello attuale Direzione della ricerca Nicolo Cartiglia -INFN Torino

Nicolo Cartiglia -INFN Torino Conclusioni La fisca delle particelle e’ in un momento di transizione: Si e’ dimostrata la validita’ del Modello Standard ma sappiamo che e’ solo un’approssimazione Tutte le ricerche di effetti non inclusi nel Modello Standard si sono rivelate infruttuose Il prossimo acceleratore, quasi pronto al CERN, potrebbe portare moltissime novita` Mandateci tanti studenti bravi….. Nicolo Cartiglia -INFN Torino