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Le particelle elementari
Le particelle elementari
Masterclass Europeain
Fisica delle Particelle ElementariTeachers’ day – Torino, 18 marzo 2006
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Le particelle elementari
Cosa vuol dire studiare “Fisica delle Particelle Elementari” ?
Vuol dire cercare di rispondere a domande tipo:
Di cosa è fatta la materia che ci circonda?
Quale origine hanno le forze che tengono insieme i componenti della materia?
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Il riduzionismo e’ il processo fondamentale usato in fisica per la comprensione della realta’:
Le proprieta’ dei sistemi complessi si possono interpretare in termini delle proprieta’ delle parti piu’ semplici che li compongono e delle forze che intervengono a comporli
Riduzionismo
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Una proprietà emergente è una proprietà di qualche totalità complessa che non può essere spiegata nei termini delle proprietà delle sue parti.
“Senatores boni viri, senatus autem mala bestia”
Comportamenti emergenti sono spesso invocati in altre discipline tipo le scienze sociali o biologia
Comportamenti emergenti
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In fisica delle particelle il “riduzionismo” e’ universalmente accettato.
In biologia (come in altre scienze) la situazione e’ molto meno chiara. Vi e’ un dibattito molto intenso per capire se la soluzione a problemi complessi (cancro, schizofrenia, depressione..) sia trovabile attraverso lo studio del genoma (riduzionismo).
Riduzionismo in altre scienze
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L’approccio riduzionista in fisica delle particelle ha portato a moltissimi progressi.
Ogni ulteriore livello di “riduzione” porta con se` una grande quantita’ di informazioni.
Il passaggio da un livello a quello successivo avviene attraverso lo studio di regolarita’ che indicano la presenza di una sotto-struttura
La fisica delle particelle
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Sottostrutture
Regolarita’ negli atomi
Regolarita’ nei nuclei
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Il cammino degli ultimi 50 anni
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Il modello Standard
La teoria che ci aiuta a capire le particelle elementari e’ chiamata Modello Standard
Il modello standard vuole descrivere sia la materia che tutte le forze dell'universo (esclusa la gravità). La sua bellezza consiste nella capacità di spiegare centinaia di particelle e interazioni complesse con poche particelle e interazioni fondamentali.
• Alto potere predittivo• Confutabile• Incompleto
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Le particelle elementari
Il modello Standard
Idea chiave:
Ci sono due generi di particelle:
• particelle che sono materia(i quark ed i leptoni)
• particelle che mediano le forze (ogni tipo di interazione fondamentale agisce "mediante" una particella mediatrice di forza)
In seguito la gravita` viene inclusa nella discussione anche se in realta’ non appartiene al modello standard.
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Le particelle elementari
u
d
c
s
t
b
e
e
Carica elettrica
+2/3
-1/3
0
-1
quark
leptoni
piu’ pesante
I mediatori:
g gluoni (8)
fotone
W+,W-, Z bosoni
gravitone
Il Modello Standard: le particelle
Fondamentali: queste particelle sono ritenute senza struttura interna (anche se non e` esclusa)
3 generazioni
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Le particelle elementari interagiscono tra loro tramite messaggeri,Le forze che conosciamo in natura sono:
Forza gravitazionale:
Forza elettromagnetica:
tiene uniti i protoni e i neutroni nel nucleo anche se di carica uguale e tiene uniti i quark messaggero: gluone
Forza debole: radioattività, attività solare … messaggeri: W e la Z
Caduta dei corpi, moto stellare…messaggero: gravitone
magneti, atomi, chimica…messaggero: fotone
Forza forte:
Il Modello Standard: le forze
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Il Modello Standard: materia ed antimateria
Il Modello Standard prevede che per ogni particella di materia ci sia la sua anti-particella.
- i mediatori non hanno le antiparticelle: non esistono gli anti-gluoni o gli anti-fotoni!
- le anti-particelle hanno cariche opposte a quelle delle particelle
- se una particella e la sua anti-particella si incontrano si annichilano
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Le forze ed i messaggeriE’ importante sottolineare che nel Modello Standard le
forze agiscono perche’ sono trasmesse da una particella.
Non esistono forze “a distanza” ma affinche’ una forza agisca il suo messaggero deve andare da una particella ad un’altra.
++
Spostati, mi manda uno della tua stessa carica
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Le forze e le cariche
Forza Accoppiamento Quantita’
Elettromagnetica Carica elettrica 1
Forte Colore3 (rosso, blu, verde)
Gravita’ Massa 1
I messaggeri delle forze si accoppiano a qualita’ specifiche delle particelle chiamate cariche
Nota: la carica elettrica e’ una sola, che puo` essere positiva o negativa. Per il colore le cariche sono 3 ed anche loro possono essere positive o negative.
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Le forze non agiscono su tutte le particelle
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La forza di colore
La forza di colore e’ molto diversa dalle altre
• Ci sono 3 cariche (3 colori):
• Lo scambio di un gluone puo` cambiare il colore del quark.
• I gluoni sono colorati, cioe’ sono carichi, e quindi interagiscono tra di loro
g
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Interazione di colore
Nota:
• L’interazione cambia il colore dei quark (non sempre) mentre i fotoni non cambiano il valore di una carica
• I gluoni hanno carica, mentre il fotone e’ neutro. Ci sono 8 gluoni, ciascuno porta una unita di colore ed una unita` di anti-colore: RR, GG, BB, BG…
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Il fatto che i gluoni interagiscono fra di loro rende la forza forte completamente diversa dalle altre:
aumenta con la distanza!
Due particelle colorate non possano essere separate: piu` le si allontana e piu` la forza aumenta fino a che nelle linee di forza c’e’ cosi’ tanta energia che altre particelle vengono create
Le forza di colore (cont-)
Non si puo` avere una carica di colore libera e quindi tutte le particelle “libere” devono essere bianche
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Le forze in natura sono molto diverse tra loro. Vediamo degli esempi di sistemi legati :
Le forze attrattive e repulsive
particella - particella
particella-particella-particella
particella -antiparticella
Elettromagnetica No No Si
Forte No Si Si
Gravita’ Si Si Si
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Nel Modello Standard ogni interazione puo` essere descritta in termini di un diagramma e di un numero, la costante di accoppiamento , che descrive quanto quel vertice sia probabile
I “diagrammi” delle forze
gravita’
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La somma dei diagrammi permessi generano delle leggi di conservazione.
1. Energia 2. Momento3. Momento angolare4. Carica elettrica5. Carica di colore (quark e gluoni)
6. Numero di quark (numero di quark meno gli antiquark)
7. Numero elettronico (numero di elettroni piu numero di neutrini elettronici meno il numero delle loro antiparticelle)
8. Numero muonico9. Numero tauonico
Queste regole sono assolute, tutte le reazioni devono obbedirle. Ci sono altre leggi obbedite solo dalle interazioni forti
Leggi di conservazione
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Forze: tabella riassuntiva
Interazione Mediatore Forza Raggio Vita media
EM g 1/137 Infinito 10 - 20
Weak W, Z 10 - 6 10 - 18 m 10 - 8
Strong G 110 – 15 m
10 - 23
Gravity g 10 - 39 Infinito Infinito
In caso di competizione vince la forza che agisce prima!
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Il Modello Standard descrive l’interazione tra due particelle, non il comportamento di un sistema complesso quale un atomo.
Per spiegare sistemi a “multicorpi” si usano strumenti diversi che descrivono in modo globale il comportamento di molte particelle.
Esempio tipico e’ la termodinamica: nessuno usa le equazioni del Modello Standard per spiegare il comportamento di un gas:
PV = nRT
Interazioni tra molte particelle
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s
e
Raggi cosmici
c t
b
I mediatori:
g gluoni (8)
fotone
W+,W-, Z bosoni
Si possono produrrein laboratorio
u
d
e
La materia di cui siamo fattie’ della I generazione
Particelle: comuni e rare
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quark
Einstein: E=mc2 la massa si può trasformare in energia e viceversa.
Attraverso urti tra particelle si possono creare altre particelle: l’energia delle particelle viene trasformata in materia!
Come si creano le particelle in laboratorio?
protone
protone
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Se negli urti si usano particelle ed anti-particelle non solo l’energia del moto e’ disponibile per creare nuove particelle ma anche la massa delle particelle entranti
Anti-materia al lavoro
Un quark ed un anti-quark si annichilano e formano nuove particelle
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I decadimenti
Le particelle piu` pesanti (sia elementari che composte) decadono in particelle piu` leggere
e
e
W
I decadimenti avvengono seguendo le regole (per esempio la conservazione della carica)
descritte dal Modello Standard
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s
c t
b
u
d
Lo zoo delle particelle: adroniNegli urti si creano centinaia di particelle
che sono in realta` stati legati:
Barioni (qqq): p,n Mesoni (q-anti q):
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Simmetrie nella fisica delle particelle
Le particelle prodotte negli urti possono essere “catalogate” in famiglie:
evidenza di sottostruttura!
Queste simmetriesono state usate per predire particellemancanti
K0
K+
π+
¯K0
K-
Π-
π0
; η
S= -1
S= 1
Q=0
Q=1
Q=-1
S= 0
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Simmetrie (cont-)
Le simmetrie sono anche una guida nella ricerca di nuovi fenomeni. La scoperta dei quark ne e’ un’esempio:
s
u
dSituazione iniziale:
t1995 !
c
1974
b1977
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Due grandi gruppi: fermioni e bosoniIl valore dello spin determina differenze fondamentali tra le particelle. Se lo spin e’ intero allore le particelle sono bosoni, altrimenti fermioni
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Fermioni e BosoniI fermioni rispettano il Principio di esclusione di Pauli:
Non possono esistere nello stesso posto nello stesso tempo due particelle nello stesso stato (identico spin, identica carica di colore, identico momento angolare, etc.)
I fermioni sono come noi (non ci possiamo sedere in un posto al cinema gia’ occupato) mentre le particelle sorprendenti sono i bosoni per cui c’e’ sempre posto al ristorante…
Un camion porta-bosoni:
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Fermioni e Bosoni (cont-)
Effetti fermionici:
I livelli energetici degli elettroni negli atomi (gli orbitali) si popolano perche’ gli elettroni (che sono fermioni) non possono stare tutti nel livello piu` basso
Effetti bosonici:
Il laser, sovrapposizione coerente di fotoni, puo` capitare solo perche’ i fotoni sono bosoni
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Come si studiano le particelle elementari?
Le particelle si studiano misurandone:
• la massa• la carica• la vita media • lo spin (la “velocita’ ” di rotazione)• gli stati eccitati
Gli adroni (fatti da quark) si catalogano a seconda della loro composizione interna e momento angolare. Sono stati trovati piu` di duecento adroni.
Purtroppo ultimamente non si sono piu` trovate particelle inaspettate…
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Stati eccitati delle particelle elementari
Cosi’ come e’ capitato per l’atomo lo studio dei livelli eccitati di una particella e’ di grande aiuto per capirne la sua dinamica interna.
Consideriamo la particella J/Psi, stato legato formato dal quark c – antiquark c:
Lo studio di questi livelliaiuta la comprensione dellateoria del colore.
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Come si calcola un processo nel Modello Standard?
Il primo passo per calcolare un processo e’ scrivere il “diagramma di Feynman” corrispondente. Dopodiche si calcolano i termini. Vediamo degli esempi di diagrammi:
Decadimento del neutrone Decadimento del pione
Ogni vertice e linea interna ha una certa probabilita’.
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Da dove viene la massa delle particelle composte (adroni)?
Il protone e’ composto da 3 quark: uudLa somma delle masse dei quark uud e’ molto piu` piccola dalla massa del protone:
La differenza di massa e’ dovuta alle interazioni tra i quark. Anche se in teoria si sanno calcolare queste interazioni, in pratica non si riescono ad ottenere le masse degli adroni.
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Le particelle forza Massa
g gluoni (8) 0
fotone 0
W+,W-, Z bosoni 80/90
GeV
u
d
c
s
t
b
e
e
Massa (
GeV
)
~0.001 ~1.5 ~180
~0.001 ~0.1 ~4.5
~0. ~0. ~0.
~0.0005 ~0.100 ~1.7
Il modello standard non predice lemasse delle particelle. I valori delle masse sono stati misurati sperimentalmente
Da dove viene la massa delle particelle fondamentali?
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La massa delle particelle fondamentali
Colpiamo con la forza di un Newton due palle di massa molto piccola,una quasi liscia ed una rugosa, posate su di un tappeto soffice. Ne misuriamo l’accelerazione:
a = 1 m/s2
a = 0.5 m/s2
1 N
Calcoliamone la massa assumendo che non ci sia attrito:
= 1 Kg
= 2 Kg
Assunzione sbagliata
Rispostasbagliata
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La massa (cont-)
Trasportiamo quest’esempio alle particelle elementari. Consideriam il quark top e l’elettrone:
Il quark top pesa circa 300.000 volte piu` dell’elettrone.
Nel modello standard entrambe hanno massa nulla!
Sembrano che abbiano massa perche` si muovono (con fatica) interagendo con il campo di Higgs
Elettrone
Top
Campo di Higgs
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La massa (cont -)
Idea chiave:
Nel Modello Standard le particelle non hanno massa.
La massa e’ una proprieta’ che viene acquisita attraverso l’interazione con il bosone di Higgs: sembrano avere massa perche` interagiscono con il bosone di Higgs e diventano piu` difficili da spostare.
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La domanda attuale: esiste il “Bosone di Higgs” ?
Al momento non abbiamo nessuna evidenza sperimentale dell’esistenza del bosone di Higgs…..
E’ possibile che la teoria sia giusta e che il bosone di Higgs venga misurato ad LHC, la prossima macchina in costruzione al CERN di Ginevra.
E’ anche possibile che la teoria non sia giusta e che non si trovi niente.
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Problema ulteriore
Supponiamo di trovare il bosone di Higgs: straordinario successo della teoria, finalmente sappiamo perche` abbiamo massa (anche troppa):
Bosone di Higgs dieta
Domanda: perche’ l’elettrone si accoppia meno del quark top con il bosone di Higgs ed e’ quindi piu` leggero?
Tristemente non abbiamo una risposta a una domanda cosi` ovvia
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Ulteriori problemi
Nel Modello Standard ci sono molte altre cose che non capiamo
Per esempio:
• Perche le generazioni sono 3? C’e’ una sottostruttura?• Perche le masse sono quelle che sono?• Dov’e’ finita l’antimateria creata nel Big-Bang?• Dove la mettiamo la gravita’?
La soluzione a questi ed altri problemi non la si sa. La possibilita’ piu` accettata al momento e’ che il Modello Standard sia solo una parte di una teoria piu` grande chiamata la “Supersimmetria”
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La SupersimmetriaLa “Supersimmetria” risolve molti problemi teorici ed introduce per ogni particella nota un compagno “supersimmetrico”
Putroppo fino ad adesso nessuna particella supersimmetrica e’ stata trovata…..
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Grande unificazione
Il sogno finale e’ di avere un’unico modello che spiega “tutto”.Queste teorie vengono chiamate GUT, Teorie di Grande Unificazione.
Il primo passo e’ stato fatto…
Direzionedella ricerca
Livello attuale
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Conclusioni
La fisca delle particelle e’ in un momento di transizione:
• Si e’ dimostrata la validita’ del Modello Standard ma sappiamo che e’ solo un’approssimazione
• Tutte le ricerche di effetti non inclusi nel Modello Standard si sono rivelate infruttuose
• Il prossimo acceleratore, quasi pronto al CERN, potrebbe portare moltissime novita`
•Mandateci tanti studenti bravi…..