La Fisica del Microcosmo Fisica 24 ore La Fisica del Microcosmo Dalla Meccanica Quantistica al Modello Standard delle Particelle Elementari

Le due grandi rivoluzioni dell’inizio ‘900: Meccanica Quantistica Relatività Equazione di Dirac

positiva invece di negativa L’equazione di Dirac descrive correttamente le proprietà dell’elettrone Ma fa anche altro: Prevede l’esistenza di una particella sconosciuta, identica all’elettrone, ma con carica elettrica positiva invece di negativa Dirac prevede il positrone N.B. la MATEMATICA suggerisce la FISICA N.M.B. naturalmente, occorre controllare che sia vero!!!

La scoperta sperimentale del positrone Nel 1932 Carl Anderson verifica sperimentalmente la previsione di Dirac La curvatura (particella carica in campo magnetico) ci dice che è una particella con carica POSITIVA Forza di Lorentz

Di cosa siamo veramente “fatti”? Una miriade di nuove particelle Dopo il positrone i fisici cominciano a scoprire tantissime nuove particelle, diverse da quelle che costituiscono normalmente la materia (protone, neutrone ed elettrone): π, K, , , , , , ……….. etc etc etc Enrico Fermi: “Ragazzo, se io potessi ricordare il nome di tutte queste particelle sarei un botanico!” Ma allora: cosa significa FONDAMENTALE?? Di cosa siamo veramente “fatti”?

Esperimento: Teoria: È qualcun altro …uhmmmmm…. …UHMMMMMM…. È una foto Il problema della risoluzione: più in dettaglio guardate, più dettagli vedete Esperimento: Teoria: È qualcun altro …uhmmmmm…. …UHMMMMMM…. È una foto È un uomo È una MIA foto

Large Hadron Collider Ricordate  = h/p ? costante di Planck Ricordate  = h/p ? quantità di moto lunghezza d’onda Serve una grande energia per ottenere una piccola lunghezza d’onda ( = grande risoluzione) Large Hadron Collider Acceleratore protone-protone in costruzione al CERN. Pronto nel 2007 Energia ~ 2  7000 volte la massa del protone   ~ 10-18 m 27 km di circonferenza Costo ~ 2.2 miliardi di euro

(

LHC nella campagna franco-svizzera attorno al CERN SppS N.B. Il tunnel è completamente sotterraneo

Uno dei 4 apparati sperimentali di LHC…

……e la sua caverna.

Un ipotetico evento a LHC

)

1900 - 1930: poche particelle (protone, neutrone, elettrone) Elementari? 1930 - 1960: esperimenti -> tantissime particelle Grande confusione!! 1960 - 1970: inizia ad emergere un ordine (quark, leptoni, 4 forze) 1970 - ????: il Modello Standard

I leptoni Tre famiglie, ognuna contenente un “elettrone” e un neutrino Neutrino: introdotto da Wolfgang Pauli ed Enrico Fermi per preservare la conservazione dell’energia nel decadimento beta del neutrone Muone: particella identica all’elettrone, eccetto che per la massa, 200 volte maggiore Tre famiglie, ognuna contenente un “elettrone” e un neutrino I.I. Rabi: “Il muone, ma chi l’ha chiesto?”

I quark Murray Gell-Mann “Three quarks for Muster Mark ” J. Joyce, Finnegan’s Wake Up e down costituiscono la materia ordinaria (p = uud, n = udd) Gli altri (“Ma chi li ha chiesti?”) compongono tutte le altre particelle osservate

Le 4 forze (= interazioni) Intensità 10-38 10-5 10-2 1 Ogni forza è trasportata da una specifica particella Carlo Rubbia e Simon van der Meer Premio Nobel per la Fisica 1984 per la scoperta al CERN di Ginevra dei bosoni vettori W e Z, portatori della forza debole

Il Modello Standard “riassunto” delle attuali conoscenze circa la fisica delle interazioni fondamentali: individua le particelle fondamentali individua le forze fondamentali (e.m., debole, forte) detta le regole attraverso cui le particelle interagiscono tramite le forze (esempio: conservazione della carica elettrica) permette di effettuare previsioni teoriche confrontabili con gli esperimenti

Il Modello Standard QED Interazioni elettrodeboli Premio Nobel per la Fisica 1965 ( www.nobel.se/physics/laureates/1965/ ) Richard P. Feynman Julian Schwinger Sin-Itiro Tomonaga Interazioni elettrodeboli Premio Nobel per la Fisica 1979 ( www.nobel.se/physics/laureates/1979/ ) Sheldon Lee Glashow Abdus Salam Steven Weinberg E le interazioni forti (QCD)?? Niente Nobel per ora!

Dimensioni Lo spazio è quasi totalmente vuoto! Se l’atomo fosse un campo da calcio (100 m), il nucleo sarebbe una biglia (1 cm) Lo spazio è quasi totalmente vuoto! Sono le forze che “creano” la solidità degli oggetti

Distanze Perché la gravità e l’elettromagnetismo ci sono familiari, mentre non sapevamo nulla della forza debole e di quella forte? Perché hanno raggio d’azione INFINITO, mentre le forze debole e forte sono confinate a BREVI DISTANZE

Un esempio di interazione tra particelle elementari Elettrone e positrone si scontrano. La forza elettrodebole produce un charm e un anticharm Il charm e l’anticharm si allontanano. La forza forte fa nascere un down e un antidown, e li lega a charm e anticharm per formare le particelle osservabili D

Nel campo di forze che si crea nascono nuovi quark, che La forza forte è speciale: CRESCE allontanando le particelle Nel campo di forze che si crea nascono nuovi quark, che si legano ad altri e formano le particelle osservate Non possiamo mai osservare i quark singolarmente.

…ma allora sappiamo già tutto?

Il bosone di Higgs Il Modello Standard prevede una particella tuttora sconosciuta, il bosone di Higgs L’Higgs è necessario affinché i quark, i leptoni, le particelle che trasportano le forze abbiano una MASSA O almeno…… così dice il Modello Standard È per verificarlo sperimentalmente che si costruisce l’LHC

Se vi interessa, siete in tempo!! Ricordate: LHC non sarà pronto prima del 2007 ci vorranno alcuni altri anni per raccogliere dati non è detto che ci sia solo il bosone di Higgs da scoprire Se vi interessa, siete in tempo!!