La fisica delle particelle elementari Un viaggio dentro la materia

Fin dall’antichità la gente si é chiesta: “Di cosa é fatto il mondo?” “Che cosa lo tiene assieme?” Alla fine abbiamo capito che la materia di cui il mondo é composto é costituita da pochi mattoncini fondamentali Con “fondamentali” intendiamo oggetti che sono “semplici” e “senza struttura”, non composti di altri oggetti piu` piccoli Ancora nel 1900 si pensava che gli atomi fossero sfere permeabili con delle cariche elettriche che si muovevano al loro interno Ma l’atomo é l’unità fondamentale?

TAVOLA PERIODICA DEGLI ELEMENTI Presto si è capito che atomi diversi potevano essere raggruppati in famiglie caratterizzate da proprietà chimiche simili: nasce la TAVOLA PERIODICA DEGLI ELEMENTI Questo indicava che gli atomi erano composti di mattoni più semplici, che uniti in diverse combinazioni determinavano le proprietà chimiche dell’atomo Gli esperimenti che “guardavano” dentro l’atomo mostrarono poi come questo fosse formato da un piccolo, ma denso, nucleo positivo e una nuvola di elettroni negativi

Ma allora, i protoni e i neutroni sono fondamentali? Poiché il nucleo appariva piccolo, solido e denso, gli scienziati all’inizio pensavano fosse fondamentale. Ma poi scoprirono che era fatto di protoni (p), carichi positivamente, e neutroni (n), privi di carica Ma allora, i protoni e i neutroni sono fondamentali?

I fisici hanno scoperto che i protoni e i neutroni sono composti di particelle ancora più piccole, chiamate quark Per quanto ne sappiamo fino ad ora, i quark non sono fatti di nient’altro: sono FONDAMENTALI Dopo molti esperimenti gli scienziati ora credono che i quark e gli elettroni (e qualche altra particelle che tra poco vedremo) siano fondamentali

Questa è la catena che ha portato i fisici del secolo scorso alla scoperta dell’infinitamente piccolo: ma le particelle sono molte! Ora andremo alla scoperta di alcuni dei più strani oggetti che la natura abbia creato…

+ + Facciamo un po’ di ordine… I fisici hanno sviluppato una teoria chiamata Modello Standard che spiega di cosa il mondo è fatto e cosa lo tiene assieme Il Modello Standard spiega tutte le centinaia di particelle e le complesse interazioni che le legano con una semplice ricetta: 6 quark (che formano le particelle più pesanti, tra cui protone e neutrone) + 6 leptoni (particelle più leggere, tra cui l’elettrone) + Particelle che trasportano le forze (come il fotone)

Quark La maggior parte della materia che ci circonda è fatta di protoni e neutroni, che sono composti di quark Ci sono sei quark, raggruppati in tre coppie: up/down (su/giù), charm/strange (incanto/strano) e top/bottom (cima/fondo) I quark hanno la strana caratteristica di avere carica elettrica frazionaria (diversamente dal protone e dall’elettrone che hanno carica +1 e -1) Il quark più misterioso, il quark top, fu scoperto nel 1995, mentre la sua esistenza era stata teorizzata venti anni prima!

Ci sono due tipi di adroni: Although individual quarks have fractional electrical charges, they combine such that hadrons have a net integer electric charge. Another property of hadrons is that they have no net color charge even though the quarks themselves carry color charge (we will talk more about this later). There are two classes of hadrons (try putting your mouse on the elephants): Although individual quarks have fractional electrical charges, they combine such that hadrons have a net integer electric charge. Another property of hadrons is that they have no net color charge even though the quarks themselves carry color charge (we will talk more about this later). There are two classes of hadrons (try putting your mouse on the elephants):                                        ...are any hadron which is made of three quarks (qqq).                                                                                                       Because they are made of two up quarks and one down quark (uud), protons are baryons. So are neutrons (udd). ...contain one quark (q) and one antiquark (     ).                                                                                                                                              ...are any hadron which is made of three quarks (qqq).                                                                                                       Because they are made of two up quarks and one down quark (uud), protons are baryons. So are neutrons (udd). ...contain one quark (q) and one antiquark (     ).                                                                                                       Anche se i singoli quark hanno carica elettrica frazionaria, si combinano in modo da formare particelle (chiamate adroni) con carica elettrica intera Ci sono due tipi di adroni: Barioni (dal greco=pesanti) Mesoni (dal greco=in mezzo) …che sono fatti di un quark e di un antiquark …che sono fatti di tre quark

Leptoni Sono un altra famiglia di particelle di materia, che a differenza dei quark non stanno uniti ma preferiscono vivere da soli… Ci sono sei leptoni, tre con carica elettrica e tre neutri Il leptone carico più famoso e’ l’elettrone, che già abbiamo incontrato. Poi ci sono due elettroni più pesanti, il muone e il tau

Gli altri tre leptoni sono i tre tipi di neutrino. Essi non hanno carica elettrica, sono leggerissimi e difficilissimi da “vedere” I neutrini sono stati previsti come spiegazione alla massa mancante nel decadimento del neutrone (E. Fermi)

…ma non finisce qui! Per ogni tipo di particella di materia che abbiamo incontrato finora esiste anche una particella di antimateria, chiamata antiparticella Le antiparticelle sono uguali alle corrispondenti particelle di materia, ma hanno carica elettrica opposta Quando una particella e la corrispondente antiparticella si scontrano, si annichiliscono in pura energia!

Uno zoo di particelle! Finora sono state scoperte circa 200 particelle, che sono composte dai mattoncini che abbiamo visto in precedenza: troppe? Enrico Fermi una volta disse ad un suo studente: “Giovanotto, se fossi in grado di ricordarmi i nomi di tutte queste particelle sarei stato un botanico!” Lo scopo dei fisici non è quindi catalogare le particelle (non sono dei botanici!), ma scoprire se esse nascondano delle regolarità, delle simmetrie che spieghino come la natura faccia interagire i mattoni fondamentali dell’universo

Abbiamo visto quali sono le particelle fondamentali che compongono l’universo: ma come interagiscono tra loro? Ci sono quattro interazioni fondamentali tra le particelle, e tutte le forze possono essere attribuite a queste quattro interazioni. Qualunque forza si consideri - l’attrito, il magnetismo, la gravità, le reazioni nucleari e così via – è causata da una di queste quattro interazioni fondamentali:

Ma cosa vuol dire che due particelle interagiscono? Nel mondo delle particelle la forza di gravità ha un ruolo trascurabile, perchè abbiamo a che fare con oggetti leggerissimi! Ma cosa vuol dire che due particelle interagiscono? Se due pattinatori sul ghiaccio si scambiano una palla, l’effetto di azione e reazione li farà spostare entrambi dall’equilibrio: Allo stesso modo due particelle interagiscono scambiandosi una particella che trasporta la forza, spostandosi dall’equilibrio…

La forza elettromagnetica fa si che oggetti con la stessa carica si respingano e che oggetti con carica opposta si attraggano Ad esempio la forza che tiene uniti gli atomi e che rende la materia “solida” e impenetrabile è di natura elettromagnetica!

La forza nucleare “forte” tiene assieme i protoni e i neutroni nei nuclei degli atomi, e lega i quark che formano i protoni e i neutroni. Poichè tiene assieme particelle con la stessa carica elettrica, che tendono a respingersi, deve essere una forza, appunto, “forte” Le particelle che Le particelle che mediano la forza “forte” tra i quark sono chiamati “gluoni”, perchè tengono incollati tra loro i quark (in Inglese glue=colla)

quark e leptoni più leggeri La forza nucleare “debole” è responsabile del decadimento di quark e leptoni pesanti in quark e leptoni più leggeri Quando una particella decade scompare, e viene rimpiazzata da due o più particelle diverse. Ad esempio nel decadimento del neutrone: L Le tre particelle che mediano la forza “debole”, sono chiamate W+, W-, Z0 (scoperti da C. Rubbia nel 1983)

Ma come si “vedono” le particelle elementari? Per “vedere” oggetti così piccoli, i fisici li colpiscono con particelle esploratrici di altissima energia: più è alta l’energia, più piccola è la particella che può essere studiata Inoltre l’energia delle particelle proiettile viene utilizzata per creare dal nulla particelle pesanti che i fisici vogliono studiare Per produrre in laboratorio particelle così energetiche sono stati costruiti degli “Acceleratori di particelle”

che i fisici “vedono” grazie ad un “Rivelatore di particelle” Dopo che un acceleratore ha pompato abbastanza energia nelle particelle accelerate (di solito sono protoni ed elettroni), queste collidono su un bersaglio fisso, oppure tra di loro. Ogni collisione produce un evento, che i fisici “vedono” grazie ad un “Rivelatore di particelle” La circonferenza dell’anello di accelerazione è di 27 Km! L’acceleratore più grande del mondo, LHC, si trova al CERN di Ginevra (CH)

Spesso però siamo fortunati, perchè la natura ci fornisce particelle già accelerate! …dai collassi stellari! …dal Sole! …bisogna “solo” trovare dei modi furbi per “catturarle”… come ? …da urti tra particelle nell’atmosfera!

...osservando il cielo mettendoci sottoterra! Sembra una contraddizione, ma se vogliamo osservare le particelle più strane che arrivano dallo spazio dobbiamo eliminare le fonti di “rumore” come la radioattività e i raggi cosmici... … e quindi mettendo i rivelatori di queste particelle sotto molti kilometri di roccia, che lascia passare solo le particelle che interagiscono meno con la materia…

ICARUS! Ricerca eventi rari: neutrini che vengono dal Sole e dalle esplosioni di Supernove, neutrini che vengono sparati da un acceleratore che si trova al CERN (730Km!!!), e il decadimento del protone I neutrini interagiscono poco con la materia, quindi l’Universo ne è pieno. ICARUS cerca di scoprire se hanno una massa: con il loro numero possono contribuire alla massa dell’Universo e condizionare la sua espansione

ICARUS è una collaborazione di più di centoventi fisici di diverse nazioni: Italia, Polonia, Spagna, Svizzera, Cina, Stati Uniti L’idea per il rivelatore ICARUS fu proposta già nel 1977 dal premio Nobel Italiano e ora professore dell’Università di Pavia Carlo Rubbia Entro quest’anno il rivelatore ICARUS sarà trasportato nei laboratori sotterranei dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, sotto il Gran Sasso

Come funziona ICARUS ? Come funziona ICARUS ? E E Una particella che attraversa il rivelatore urta gli elettroni degli atomi di argon… …che vengono trasportati da un campo elettrico verso tre piani di fili… che raccolgono gli elettroni producendo segnali elettronici… Catodo Argon liquido (-186°) e- e- e- e- E e- e- E e- e- Rivelatore ICARUS T600 Anodo: 3 piani di fili

… che vengono raccolti ed elaborati per la successiva analisi Ed ecco alcuni esempi di tracce di particelle, ricostruite dai segnali raccolti dal primo modulo di ICARUS nel 2001 a Pavia!

Presto ICARUS darà soluzione ad alcuni dei più grandi misteri che riguardano la fisica delle particelle elementari…

Potete trovare questa presentazione sul sito di ICARUS – Pavia: www.pv.infn.it/~icarus Le trovate nel menu “Public” nella colonna di sinistra