Domizia Orestano Università Roma Tre Master Classes 9/3/2005 Il Modello Standard Domizia Orestano Università Roma Tre Master Classes 9/3/2005 9/3/2005 Master Classes @ Roma Tre

Master Classes @ Roma Tre Sommario La ricerca dei costituenti elementari della materia Tre famiglie di mattoni elementari Quattro forze fondamentali: mediatori e cariche L’antimateria e l’annichilazione materia-antimateria Decadimenti (Z0 e t) 9/3/2005 Master Classes @ Roma Tre

Master Classes @ Roma Tre Gli atomi John DALTON (1766-1844) per spiegare le osservazioni sul comportamento dei gas formula l’ipotesi che gli elementi siano composti di particelle indivisibili: gli atomi. Dimitri MENDELEÏEV (1834-1907) organizza tutti gli elementi allora noti in uno schema che mette in evidenza la periodicità delle loro proprietà. L’esistenza di una simmetria è un indicatore di una possibile struttura interna! 9/3/2005 Master Classes @ Roma Tre

Master Classes @ Roma Tre 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) L’atomo non è indivisibile! Il modello atomico di Thomson: Un numero Z di elettroni Una distribuzione continua di cariche positive L’esperimento di Rutherford: ? 9/3/2005 Master Classes @ Roma Tre

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 NB: Se il Colosseo fosse “pieno”, misurerebbe… 18 mm !!!! 9/3/2005 Master Classes @ Roma Tre

Master Classes @ Roma Tre Il nucleo atomico Esistenza degli isotopi (elementi con lo stesso numero di elettroni ma diversa massa) Problemi con il momento angolare intrinseco (spin) dei nuclei Ma in presenza della sola forza elettromagnetica non potrebbe essere stabile! Anche il nucleo è un sistema composto da Z protoni e da (A-Z) neutroni E’ tenuto insieme dalla interazione forte. 9/3/2005 Master Classes @ Roma Tre

Una miriade di 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 possono essere classificati in sistemi dotati di simmetrie Anche in questo caso potrebbe esserci una struttura interna! 9/3/2005 Master Classes @ Roma Tre

I mattoni elementari: quark e leptoni Modello a quark introdotto per giustificare le simmetrie osservate. Carica elettrica frazionaria. Tre stati diversi (colori) per ogni quark. Adroni composti da 3 quark o da coppie quark-antiquark. Non si osservano quark liberi: sono confinati all’interno degli adroni Sia per i quark che per i leptoni sono presenti tre famiglie o generazioni apparentemente con le stesse proprietà ad eccezione della massa massa Materia ordinaria 9/3/2005 Master Classes @ Roma Tre

I costituenti della materia taglia in atomi taglia in metri atomo Lo spazio è quasi completamente vuoto: sono le forze che realizzano la solidità degli oggetti nucleo nucleone quark/elettrone (al max) 9/3/2005 Master Classes @ Roma Tre

Master Classes @ Roma Tre Le forze o interazioni Tutte le forze osservate in natura sono riconducibili a 4 interazioni fondamentali Mediate dallo scambio di particelle Responsabili della coesione della materia del suo decadimento L’interazione avviene grazie allo scambio di particelle Intensità: 10-38 10-5 10-2 1 9/3/2005 Master Classes @ Roma Tre

Master Classes @ Roma Tre Le cariche L’intensità di una interazione tra particelle dipende dalla costante di accoppiamento (carica) tra queste e la particella mediatrice 3 9/3/2005 Master Classes @ Roma Tre

Master Classes @ Roma Tre Antiparticella Ipotesi formulata da DIRAC (1931) Un oggetto con stesse caratteristiche della particella corrispondente ad eccezione della carica elettrica che cambia segno (e dei momenti magnetico ed elettrico) ANDERSON scopre l’antiparticella dell’elettrone, il positrone, nel 1932 Tutte le particelle hanno un’antiparticella (e+, m+, n, p…) che in alcuni casi coincide con la particella stessa (p0, g) 9/3/2005 Master Classes @ Roma Tre

Master Classes @ Roma Tre Annichilazione Negli anelli di collisione vengono fatti incontrare fasci di elettroni e di positroni (o di protoni). L’interazione di una particella con la sua antiparticella porta alla loro annichilazione ovvero al trasferimento di tutta la loro massa e la loro energia cinetica ad uno stato virtuale, ed in particolare ad un fotone o ad uno Z0. A LEP l’energia dei fasci è stata scelta per produrre bosoni Z0 reali. Dopo un tempo molto breve lo stato virtuale produce nuovamente una coppia particella-antiparticella. 9/3/2005 Master Classes @ Roma Tre

Master Classes @ Roma Tre Decadimenti Quasi tutte le particelle elementari sono instabili Decadono in particelle di massa inferiore con tempi caratteristici che dipendono dall’interazione responsabile della disintegrazione Esempio: decadimento del K+ in p++p0 osservazione interpretazione 9/3/2005 Master Classes @ Roma Tre

Master Classes @ Roma Tre Decadimenti dello Z0 Nel misterioso mondo quantistico in cui vivono le particelle, ogni singola particella Z deve decadere, ma è impossibile sapere in anticipo in quale tipo di particelle decadrà. Tutto ciò che si può dire è che ha una certa probabilità di decadere in un certo tipo di particelle e le frequenze dei diversi tipi di decadimento possono essere calcolate teoricamente nel Modello Standard Una particella Z può decadere in: due elettroni (Z0→ e+ + e- ) due muoni (Z0→ m+ + m-) due particelle tau (Z0→ t+ + t- ) due neutrini (Z0→ n + n) (n=ne,nm,nt) due quark (Z0→ q + q ) (q=u,d,c,s,b ma non t che è troppo pesante) ~3,3 % ~3,3 % ~10 % ~3,3 % ~20 % INVISIBILE! ~70 % 9/3/2005 Master Classes @ Roma Tre

Master Classes @ Roma Tre Decadimenti del t Decadimenti deboli mediati dallo scambio di un bosone W t- → m- + nm + nt t- → e- + ne + nt t- → h- +ng+ nt t- → h- h+ h- + ng+ nt (h indica un generico adrone) In un evento Z0→ t+ + t- si hanno 2 t che decadono indipendentemente e si possono avere stati finali con 2 elettroni 2 muoni 1 elettrone e 1 muone 1 elettrone e adroni 1 muone e adroni adroni ~18 % ~18 % ~49 % ~15 % 9/3/2005 Master Classes @ Roma Tre

Master Classes @ Roma Tre 3 famiglie Gli esperimenti LEP hanno misurato la probabilità che una Z decadesse producendo particelle visibili nel rivelatore in funzione dell’energia di collisione elettrone-positrone. Le tre linee colorate corrispondono alle previsioni della teoria per 2, 3 e 4 famiglie di particelle. I dati sono in ottimo accordo con la curva per tre famiglie. Se le nostre teorie sono corrette, allora le tre famiglie di particelle che già conosciamo sono già tutto quanto c’è da conoscere. Ciò che non ci dice, tuttavia, è perché la natura abbia scelto di fare due copie della famiglia fondamentale di particelle... 9/3/2005 Master Classes @ Roma Tre

Master Classes @ Roma Tre e+ + e-→Z0→ e+ + e- 9/3/2005 Master Classes @ Roma Tre

Master Classes @ Roma Tre e+ + e-→Z0→ m+ + m- 9/3/2005 Master Classes @ Roma Tre

Master Classes @ Roma Tre e+ + e-→Z0→ q + q 9/3/2005 Master Classes @ Roma Tre