Stato attuale della fisica delle particelle e problemi aperti Francesca Cavallari (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) Francesca.Cavallari@roma1.infn.it

Sommario Le particelle fondamentali Le forze fondamentali Problemi aperti

Le particelle fondamentali

Gli elementi che conosciamo Gli atomi possono essere classificati in base alle loro proprietà nella Tavola periodica degli elementi. La materia può essere descritta da 105 costituenti fondamentali La simmetria e la periodicità della struttura nascondono qualcosa?

La struttura atomica 1895-1900: scoperta dei raggi X (W.Roentgen) scoperta della radioattività naturale (P.&M. Curie, H.Becquerel) scoperta dell’elettrone (J.J.Thomson)

La scoperta della radioattività Nel 1897 Becquerel scopri’ la radioattività naturale Gli atomi non sono più indivisibili

La struttura atomica 1895-1900: L’atomo non è indivisibile! scoperta dei raggi X (W.Roentgen) scoperta della radioattività naturale (P.&M. Curie, H.Becquerel) scoperta dell’elettrone (J.J.Thomson) L’atomo non è indivisibile! Il modello atomico di Thomson: Una distribuzione continua di cariche positive Un numero Z di elettroni

Esperimento di Rutherford Rutherford, Geiger e Mardsen esposero ad una sorgente radioattiva una sottile lamina d’oro ed osservarono le particelle deflesse una volta su 20000 le particella avevano un angolo di diffusione > di 90º Con l’atomo di Thomson questo non doveva accadere! Un elefante che attraversa un campo di grano non puo’ rimbalzare su una spiga…

Il modello atomico di Bohr Un nucleo carico positivamente (+Ze) in cui si concentra praticamente tutta la massa, circondato da una nuvola di Z elettroni. L’atomo e` in gran parte “vuoto”: in un modello in scala in cui il nucleo è un pallone da calcio, gli elettroni si muovono sulla parte piu` lontana delle tribune

Il nucleo atomico Il nucleo è composto di protoni (+) e neutroni (0) Esistono gli isotopi (elementi con lo stesso numero di elettroni ma diversa massa) Ma in presenza della sola forza elettromagnetica non potrebbe essere stabile! E’ tenuto insieme dalla interazione forte.

Riassunto (fino qui) e(-) p(+) n(0)

La trasmutazione degli atomi nei decadimenti radio-attivi I decadimenti radioattivi di alcuni atomi richiedono anche l’esistenza dei neutrini. Il processo elementare e` il decadimento di un neutrone del nucleo di carbonio e la forza responsabile e` la forza debole e(-) p(+) n(0) v(0)

Altre particelle Agli inizi del ventesimo secolo gli scienziati si trovavano di fronte a un problema che non riuscivano a spiegare: sembrava che nell’ambiente ci fosse molta più radiazione di quella che poteva essere prodotta dalla radioattività naturale.  Nel 1912, il coraggioso Hess caricò su una mongolfiera i suoi strumenti e dimostrò come la quantità di particelle cariche (e quindi di radiazione) aumentava con l’altitudine. Questo significava che la radiazione sconosciuta non aveva origine terrestre (come la radioattività naturale) ma proveniva dallo spazio esterno, da cui il nome di Raggi Cosmici.  Victor Hess ricevette il premio Nobel per la sua scoperta nel 1936.

(I raggi cosmici) 100 particelle/(s cm2) al livello del mare I raggi cosmici sono costituiti al 90% protoni, 9% da α , 1% da elettroni e pochi altri nuclei I raggi cosmici primari provengono da sorgenti astrofisiche extra-solari o anche talvolta dal sole I raggi cosmici primari interagiscono con l’atmosfera producendo sciami di altre particelle secondarie 100 particelle/(s cm2) al livello del mare

Tantissime nuove particelle Dagli anni ’30 in poi sono state scoperte tantissime nuove particelle, nelle interazioni dei raggi cosmici e dei fasci prodotti dagli acceleratori Si distinguono due categorie principali Leptoni, che non interagiscono in modo forte Adroni, che risentono della forza forte Gli adroni scoperti possono essere classificati in tabelle per rappresentare le simmetrie delle loro proprietà Le periodicità e le simmetrie delle tabelle nascondo forse una struttura?

e(-) p{u(2/3) u(2/3) d(-1/3)} n{u(2/3) d(-1/3) d(-1/3)} v(0) Ipotesi dei quark e(-) p(+) n(0) v(0) e(-) p{u(2/3) u(2/3) d(-1/3)} n{u(2/3) d(-1/3) d(-1/3)} v(0) e(-) v(0) u(2/3) d(-1/3)

I mattoni elementari: quark e leptoni Modello a quark introdotto per giustificare le simmetrie osservate. Carica elettrica frazionaria (2/3 o 1/3) Tre stati diversi (colori) per ogni quark. Adroni composti da 2 o 3 quark Non si osservano quark liberi: sono confinati all’interno degli adroni

I mattoni elementari 3 famiglie Sia per i quark che per i leptoni sono presenti tre famiglie apparentemente con le stesse proprietà ad eccezione della massa La materia stabile ordinaria è fatta di particelle della prima famiglia Massa crescente

Anti-materia Nel 1932 Anderson studiando i raggi cosmici fece questa foto in camera a nebbia. Aveva scoperto un positrone. Il positrone e’ la anti-particella dell’elettrone. Ha la stessa massa dell’elettrone ma carica opposta. q>0 q<0 Forza di Lorentz B

Anti-materia Per ogni particella esiste una anti-particella con stessa massa e carica opposta. Quando materia e anti-materia si incontrano, si annichilano emettendo fotoni (raggi di luce di altissima energia) o altre coppie di particelle e anti-particelle. elettrone positrone fotone

Forze fondamentali

Le 4 forze fondamentali Forza gravitazionale Forza elettromagnetica nucleo Forza forte Forza debole

La teoria microscopica delle forze Microscopicamente le interazioni fra particelle, avvengono tramite lo scambio di una particella mediatrice. Le particelle di materia interagiscono a distanza scambiandosi una particella mediatrice della forza Il raggio della interazione diminuisce al crescere della massa della particella

Le 4 forze fondamentali e le particelle portatrici delle forze Forza gravitazionale Forza elettromagnetica Gravitone – ipotizzato Fotone – massa nulla nucleo Forza debole Forza forte W+ W- Z0 – massa circa 80-90 volte il protone Gluone – massa nulla

Il Modello Standard Le particelle nel Modello Standard non hanno massa, per poter dar loro massa occorre un’altra particella, il bosone di Higgs.

Il Modello Standard

Esempio di interazione elettromagnetica

Esempio di interazione forte I tre quark nel protone si scambiano gluoni e si mantengono legati. I gluoni trasportano la “carica di colore” da un quark all’altro. Il colore non e` osservabile, esistono solo stati legati di 3 colori insieme o di una coppia di quark e anti-quark con colore opposto.

Decadimento debole

La frontiera dell’energia: LHC

Il modello Standard spiega tutto? Con il Modello Standard possiamo descrivere le leggi delle forze del nostro Universo, ma possiamo spiegare tutti i fenomeni? Perché ci sono 3 famiglie? Perché le masse sono tanto diverse? Perché le forze sono tanto diverse?

Anti-materia Problema aperto: il nostro universo e’ fatto di materia e non di anti-materia, quindi se all’inizio c’era solo energia e materia e anti-materia si sono prodotte in ugual probabilità, dove e’ andata a finire tutta la anti-materia? Esiste forse una galassia lontana tutta fatta di anti-materia? Se esistesse e fosse vicina vedremmo una zona di confine da cui proverrebbero i fotoni dell’annichilazione ma non possiamo escludere che esista lontanissimo. Esperimenti su satelliti e stazioni spaziali misurano il flusso di raggi cosmici primario fuori dall’atmosfera per capire se esistono sorgenti di anti-materia nell’Universo. O forse materia e anti-materia non sono copie identiche ma con carica opposta

La materia oscura Studiando I cluster di galassie lontane ci si rende conto che la materia visibile (stelle, pianeti, gas…) presente nelle galassie non e` sufficiente a spiegare la rotazione delle galassie. Ci deve essere altra materia invisibile massiva che si addensa intorno alle galassie e che lega le galassie fra loro.

La materia oscura Che cosa e` questa materia oscura? I neutrini del MS hanno troppo poca massa. Potrebbe essere qualche particella supersimmetrica rimasta in grande quantita` dopo il Big Bang Nella caverna del Gran Sasso si cercano queste particelle che raramente potrebbero interagire con la materia ordinaria.

Energia oscura Recenti misure in astrofisica mostrano che l’espansione dell’Universo sta accelerando. Una possibile spiegazione e` che l’Universo sia pieno di energia oscura che lo riempie in modo uniforme. Questa energia uniforme e` l’energia del vuoto. Vari modelli di fisica delle particelle danno predizioni per questa quantita`.

Un grande laboratorio europeo: il CERN Oggi 20 stati membri. Ogni paese contribuisce in base al PIL L’Italia contribuisce per circa il 12% al budget del laboratorio Nel 1954 12 paesi europei tra cui l’Italia costituiscono il CERN (organizzazione europea per la ricerca nucleare) CERN Lab LHC Un anello di 27 km Tre sono stati i direttori Italiani del CERN: Edoardo Amaldi, Carlo Rubbia e Luciano Maiani.

LHC cerca di dare alcune risposte 19-10-2012