La fisica delle particelle a cura della prof.ssa Rosanna Garello

Modello Standard Materia ed energia PARTICELLE MEDIATRICI COSTITUENTI FORZE LEPTONI QUARK

LEPTONI : PARTICELLE LEGGERE (ad eccezione della particella t che ha massa circa 2 volte quella del protone ) sono: l’ELETTRONE , il MUONE, il TAU e i corrispondenti NEUTRINI: hanno spin = 1/2 e quindi sono fermioni, sono particelle stabili o che decadono in tempi lunghi, sono prive di carica o dotate di carica unitaria. ELETTRONE MUONE TAU NEUTRINO ELETTRONICO NEUTRINO MUONICO NEUTRINO

Cristallo puro di carbonio e neutroni Le molecole sono costituite da atomi, atomo significa indivisibile, (così si credeva sino all’inizio del ‘900), invece è a sua volta formato dal nucleo e da elettroni che orbitano intorno. Il nucleo risulta costituito di protoni e neutroni, che non sono le particelle più elementari, ma risultano entrambe formate da particelle più piccole: i quark. Atomo di carbonio Nucleo di carbonio Diamante Cristallo puro di carbonio

1 protone = 2 up + 1 down 1 neutrone = 2 down + 1 up protone u d Esistono 6 tipi di quark aventi tutti SPIN ( momento angolare ) uguale a 1/2: u ( up : spin verso l’alto e carica elettrica = + 2/3 e) d ( down : spin verso il basso e carica elettrica = - 1/3 e ) s ( strange : strano e carica elettrica = - 1/3 e ) c ( charme: incanto e carica elettrica = + 2/3 e ) b ( bottom: basso e carica elettrica = - 1/3 e ) t ( top: alto e carica elettrica = + 2/3 e )

QUARK: UP, DOWN, CHARME, STRANGE, TOP, BOTTOM sono particelle prive di struttura interna, ma sono dotate di massa variabile, sono caratterizzati dal fatto di avere una carica elettrica frazionaria rispetto a quella dell’elettrone, hanno spin = 1/2 e quindi sono fermioni

PARTICELLE MEDIATRICI ( o particelle di campo ) FORZE PARTICELLE MEDIATRICI ( o particelle di campo ) sono le particelle che vengono scambiate nelle interazioni fra le particelle di materia Infatti le quattro forze fondamentali: Gravitazionale, Elettromagnetica, Forte e Debole sono “ mediate “ da queste particelle - forza diverse dalle particelle - materia. Esse vivono per un tempo brevissimo, quanto basta per trasmettere l’informazione da una particella di materia ad un’altra. . Hanno spin intero o nullo, quindi sono bosoni e non sono soggette al Principio di esclusione di Pauli. Le particelle mediatrici fino ad ora conosciute sono le seguenti: FOTONI GLUONI BOSONE W BOSONE Z Si ricerca nei laboratori il gravitone, previsto teoricamente, ma non ancora ottenuto sperimentalmente.

Quadro delle particelle forza

L’INTERAZIONE GRAVITAZIONALE La forza di gravità agisce fra tutte le particelle, essa fa in modo che ogni parte di materia sia attratta dal resto e costituisce la forza di legame del sistema solare. Ciò nonostante fra particelle singole essa è talmente debole da poter essere generalmente trascurata. È una forza attrattiva e la sua intensità risulta direttamente proporzionale al prodotto delle masse e inversamente proporzionale al quadrato della distanza Essa è mediata dal bosone detto gravitone, particella ad oggi non ancora osservata.

L’INTERAZIONE ELETTROMAGNETICA La forza elettromagnetica agisce solo fra le particelle dotate di carica elettrica, ad esempio mantiene la nube di elettroni carichi negativamente attorno ai protoni positivi presenti nel nucleo, assicurando la coesione dell’atomo. È una forza attrattiva o repulsiva a seconda del segno delle cariche e la sua intensità risulta direttamente proporzionale al prodotto delle cariche e inversamente proporzionale al quadrato della distanza. Essa è mediata dal fotone, particella la cui massa dipende in modo inversamente proporzionale dal raggio di azione. Poiché ha massa nulla il fotone ha un’interazione di raggio infinito.

L’INTERAZIONE FORTE ( NUCLEARE) La forza nucleare ha un raggio di azione piuttosto limitato (10 -15 m ) oltre il quale diventa trascurabile. Nei nuclei relativamente piccoli i nucleoni ( protoni e neutroni ) anche i più lontani si trovano ad una distanza minore del raggio d’azione della forza nucleare. Al contrario nei nuclei più grossi i nucleoni più esterni hanno distanze reciproche superiori al raggio d’azione dell’interazione forte per cui la forza repulsiva coulombiana, che tende a disgregare il nucleo, diventa circa dello stesso ordine di grandezza dell’attrazione nucleare. In queste condizioni c’è la probabilità di superare il limite di stabilità del nucleo con conseguente emissione spontanea di particelle (decadimento). Questo fenomeno si chiama radioattività e si verifica per quegli elementi che hanno numero atomico Z > 80. La forza nucleare utilizza un bosone detto gluone che come il fotone ha carica e massa nulla.

L’INTERAZIONE DEBOLE La forza debole interviene nella frammentazione o decadimento del neutrone ( decadimento beta ) che si trasforma in un protone, secondo la reazione: neutrone protone + elettrone + antineutrino elettronico con l’emissione dei bosoni W e Z scoperti da Rubbia e Van Der Meer nel 1983.

Scoperta della corrente neutra Essa è 1.000.000 di volte più debole della forza forte, ma diventa meno debole ad energie più elevate. . Gli esperimenti condotti al CERN hanno confermato che la forza debole e la forza elettromagnetica sono due manifestazioni di un’unica forza fondamentale “ elettro-debole “ responsabile della corrente “ neutra “. Scoperta della corrente neutra

Il decadimento radioattivo Dal nucleo può essere emesso: un nucleo di elio decadimento a un elettrone decadimento b una radiazione elettromagnetica ad alta frequenza decadimento g La seguente foto mostra il diverso tipo di penetrazione dei tre fasci di particelle a, b e g. Schema decadimenti a, b e g

Decadimento a Questo tipo di decadimento consiste nell’emissione spontanea da parte di un nucleo di una particella a e si verifica solo: ) per nuclei aventi grande numero atomico Z > 83. Quando un nucleo emette una particella a sia il numero atomico Z di protoni che il numero N di neutroni diminuisce di 2 unità. ) quando la massa del nucleo originario è maggiore della somma delle masse della particella a e del nuovo nucleo discendente, spesso a sua volta instabile. In tale decadimento si ha un “ difetto di massa “ ,cioè la massa totale dei prodotti del decadimento è inferiore alla massa del nucleo originario, ma si ha emissione di energia che si trasforma in energia cinetica della stessa particella a e del nucleo discendente.

Decadimento b Questo tipo di decadimento consiste nell’emissione spontanea da parte di un nucleo di una particella b e si verifica solo per nuclei nei quali il numero di neutroni N differisce dal valore ottimale di stabilità. Quando un nucleo emette una particella b il numero atomico Z di protoni aumenta o diminuisce di 1 unità, mentre il numero di massa A resta invariato. È importante notare che quando un neutrone decade in un protone ed un elettrone + un antineutrino questi prodotti vengono creati nel momento in cui avviene il decadimento allo stesso modo in cui un fotone viene creato quando un elettrone passa da uno stato energetico ad un altro di energia inferiore. INTERAZIONE DEBOLE

Decadimento g Quando un nucleo si trova in uno stato eccitato decade in uno stato cui compete un’energia inferiore emettendo un fotone ad alta energia ( qualche MeV cioè milioni di elettronvolt ). Durante il decadimento non si ha variazione né del numero atomico Z né del numero di massa A dal momento che i raggi g sono radiazioni elettromagnetiche. Questa emissione generalmente accompagna i decadimenti a e b,perché a seguito di tali processi il nucleo viene a trovarsi in una situazione di instabilità energetica per cui tende verso una condizione di stabilità che viene raggiunta con l’emissione di raggi g.

L’ANTIMATERIA Dato che ad ogni particella elementare corrisponde un’antiparticella, cioè una particella avente la stessa massa, lo stesso spin e la stessa carica, ma di segno opposto, si può pensare di costruire una materia complessa in cui ad ogni particella della materia conosciuta si sostituisce la corrispondente antiparticella con proprietà del tutto simile a quella della materia ordinaria. Quando una particella ed un’antiparticella si incontrano annichiliscono, liberando una quantità enorme di energia. Non è facile realizzare antimateria complessa perché non deve entrare in contatto con la materia ordinaria. Antiidrogeno

Nel 1955 si ottiene l’antiprotone. Nel 1956 si ottiene l’antineutrone. L’antimateria è una predizione teorica di Dirac in quanto, partendo dall’equazione di Einstein relativa all’invariante energia – impulso: E2 = p2 c2 + m02 c4 osservò che per ricavare l’energia si deve estrarre la radice quadrata di entrambi i membri e i risultati possibili dal punto di vista algebrico sono un valore positivo e uno negativo. Fino a quel momento si era sempre scartata la soluzione negativa perché priva apparentemente di significato fisico, mentre Dirac deduce da essa l’esistenza teorica di particelle con energia negativa. Nel 1932 si ha una prima conferma sperimentale: utilizzando la camera a nebbia di Wilson, facendo interagire i fotoni con una lastra di piombo si generano elettroni e positroni, l’antiparticelle dell’elettrone. Nel 1955 si ottiene l’antiprotone. Nel 1956 si ottiene l’antineutrone. Per ottenere le particelle di antimateria occorre molta energia oppure si possono ricavare dalle radiazioni cosmiche. Ad esempio il sodio 23 è una sorgente spontanea di positroni. Schema trappola dell’antiprotone

Schema produzione dell’antiidrogeno Una volta generate le antiparticelle occorre intrappolarle e a questo scopo si utilizzano campi elettrici e magnetici, se le particelle sono elettriche si ha difficoltà a misurare le caratteristiche perché le forze elettriche sono miliardi di volte superiori a quelle gravitazionali. Si sperimenta meglio con gli atomi perché sono neutri. Per generare atomi di antiidrogeno occorrono 10 9 eV, cioè energie molto grandi, si pensi che le energie in gioco nella nostra vita quotidiana sono dell’ordine di qualche elettronvolt, poi si devono ” raffreddare “ e riportare ad energie molto basse dell’ordine 10 6 eV, mediante i deceleratori. Le trappole sono studiate in modo da raffreddare ulteriormente le particelle di antimateria fino a 102 eV, quando un positrone e un antiprotone si incontrano si ottiene un atomo di antiidrogeno. I quesiti aperti sono: la luce emessa dall’antiidrogeno è identica a quella dell’idrogeno ? Con quale accelerazione di gravità cade un atomo di antiidrogeno ? Ci si aspetta che sia diversa da 9,81 m/s2 . Schema produzione dell’antiidrogeno

Si ritiene che nel momento della nascita dell’Universo, il Big Bang, la materia e l’antimateria siano state create in quantità uguali, mentre oggi viviamo in un universo apparentemente fatto interamente di materia. Dov’è finita tutta l’antimateria ? Un tempo si pensava che l’antimateria fosse un “ riflesso “ perfetto della materia: sostituendo la materia con l’antimateria e guardando al risultato in uno specchio non ci si sarebbe accorti della differenza. Oggi sappiamo che quel riflesso è imperfetto e che proprio questo difetto è forse all’origine dello squilibrio fra materia e antimateria.

Tutte le particelle-materia e tutte le particelle-forza se fossero in uno spazio assolutamente vuoto avrebbero massa nulla e quindi si muoverebbero alla velocità della luce, invece alcune sono dotate di massa come gli elettroni, i muoni, i quark, altre no come i fotoni e i gluoni. Come si spiega la differenza delle masse ? Il modello Standard potrebbe avere la risposta in quello che è noto come il meccanismo di HIGGS secondo cui tutto lo spazio sarebbe riempito da un “campo di Higgs “che dà massa a tutte le particelle che interagiscono con esso con una sua specifica intensità, tranne ai fotoni, ai gluoni e ai gravitoni che con tale campo non interagiscono. Se l’ipotesi è corretta devono esistere i “ quanti “ del campo scalare cioè nuove particelle forza dotate di massa dette “ particelle di Higgs “. Con LHC si potrà veder se questa nuova particella esiste. Il campo di HIGGS