la natura si fa in 4 -...
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La Natura si fa in 4La Natura si fa in 4Un breve viaggio alla scoperta delleUn breve viaggio alla scoperta delle
quattro forze fondamentali della Naturaquattro forze fondamentali della Natura
Marco MontenoINFN - Sezione di Torino
Museo del BalìSaltara (PU), 2 Ottobre 2009
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Universalità delle leggi della fisica
Tutti i fenomeni naturali possono essere spiegati almeno in principio da una catena di spiegazioni
causali alla cui base vi sono una serie di leggi fondamentali e universali, valide cioé in tutto l’Universo.
nel microcosmo……
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nel macrocosmo…
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dal Big Bang ad oggi…
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L’approccio riduzionista
Perché le leggi della fisica sono universali?
Ipotesi: “L’universo é costruito, in ogni sua parte, con gli stessi costituenti elementari, che interagiscono attraverso le medesimeforze”
Il successo dell’ipotesi porta ad un punto di vista generale:Le proprietà dei sistemi complessi si possono interpretare in termini delle proprietà delle parti più semplici che li compongono e delle forze che intervengono a comporli
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Es: le proprietà del sistema solare (orbite di pianeti, satelliti, comete…) sono ben comprese in termini delle masse dei “costituenti” e della legge di gravitazione universale
La legge di gravitazione universale (1687)
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Newton, con la sua teoria, unifica (cioé descrive con le stesse leggi) i fenomeni terrestri e celesti
La legge di gravitazione universale è unica, la stessa per tutti i sistemi fisici (mele, Luna, pianeti, satelliti artificiali, galassie...). E` il primo esempio di interazione fondamentale. La sorgente dell’interazione è la massa dei corpi interagenti.
2R
MmGF =
Marco Monteno 8
Le equazioni di Maxwell (1864)
Unificando elettricità e magnetismo, Maxwell spiega la natura della luce:l’ottica diventa un ramo dell’elettromagnetismo
∂µ Fµν=4π/c Jν
εµνρσ ∂µ Fρσ=0
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La forza elettromagnetica è la seconda interazione fondamentale. La sorgente dell’interazione è la carica elettrica dei corpi interagenti.
E oggi: la fisica delle particelle elementari
• Si occupa della comprensione delle proprietà elementari della materia e delle interazioni fondamentali
• Cerca di riassumere in pochi principi guida le molteplici manifestazioni del reale.
• Del resto, da sempre l’uomo sente la necessità di comprendere il mondo in cui vive. Alcuni esempi:– Filosofia Naturale Acqua, Aria, Fuoco, Terra (Empedocle, ca. 450 a. C.)Atomo (Democrito, ca. 450 a. C.)
– Chimica Tavola degli Elementi (Mendeleev, 1869)
– Particelle Elementari Quark (Gell-Mann, Zweig, 1964)
Nel Settecento-Ottocento si ebbe un grande sviluppo della chimica con Gay-Lussac, Dalton, Avogadro (elementi, composti e leggi empiriche)
La legge di Dalton condusse all’idea di molecola: “La parte più piccola di ogni sostanza” (Avogadro, 1811)
Ma si osservavano moltissime sostanze diverse.
⇒ Ipotesi: le molecole sono fatte di atomi
Da più di 10 milioni di specie molecolari si passava così a meno di 100 specie atomiche !!
Era uno straordinario passo avanti nella comprensione delle proprieta’della materia.
Chimica: atomi e molecole
Il sistema periodico: Mendeleev
Sistematicità nelle proprietà chimiche degli elementi…
……Somiglianze e regolaritSomiglianze e regolaritàà nelle proprietnelle proprietàà fisichefisiche degli atomi degli atomi
La struttura atomica (1)
Che cosa rende l’atomo di un elemento chimicamente diverso o simile a quello di un altro elemento?
Perché gli atomi si dispongono secondo una gerarchia di massa?
Possibile spiegazione: malgrado il loro nome…
gli atomi sono sistemi composti
Si individuano, grazie agli esperimenti di Thompson, Millikan e Rutherford, due tipi di costituenti atomici:
nuclei ed elettroni
Ed è possibile costruire un modello dell’atomo basato su questi costituenti.
I nuclei hanno carica positiva, e gli elettroni carica negativa.La “colla” che li tiene uniti è il campo elettromagnetico, già noto dallo studio sperimentale dei fenomeni elettrici e magnetici a livello macroscopico.
Gli elettroni sembrano essere delle particelle elementari.Ma i nuclei, molto più pesanti degli elettroni, sono particelle elementari o a loro volta sono delle particelle composte?
La struttura atomica (2)
Costituenti nucleari, e tavola dei nuclidiIdentificazione di protone (Rutherford) e neutrone (Chadwick)Da lì in poi vengono identificati circa 3000 diversi nuclei (per ogni elemento vi sono vari isotopi, con un numero diverso di neutroni).La situazione è simile a quella già incontrata a proposito delle specie atomiche: somiglianze, regolarità, ricorrenze. Dunque...
Radioattività: α,β,γ1898 Pierre e Marie Curie scoprono la radioattività del radio e del polonio
1896-1899 E. Rutherford scopre due tipi di radiazione nell’uranio: αααα (non penetrante) ; ββββ (penetrante)
1914 Rutherford studia i raggi γγγγ (scoperti nel 1900da Villard): si tratta di una radiazione neutra (fotoni) non deviata da un campo magnetico
1900-1909 Becquerel misura e/m dei raggi ββββ, e scopre che si tratta di elettroni
1908 Rutherford studia i raggi αααα, e scopre che si tratta di atomi d’elio (Q=+2e, A=4) senzaelettroni
Negli anni successivi si scopre che le radiazioniα e β sono dotate di carica di segno opposto, in quanto deviate da un campo magnetico (per la forza di Lorentz) in versi opposti.
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La La radioattivitradioattivitàà èè dovuta alla dovuta alla instabilità di alcune specie i alcune specie nucleari, cionucleari, cioèè alla loroalla loro tendenza a disintegrarsi spontaneamente in frammenti piin frammenti piùù leggeri, con varie leggeri, con varie modalitmodalitàà..
Altri nuclei invece appaiono stabili. Come si spiega?Come fa il nucleo a restare unito, visto che i protoni (tutti di carica positiva) si respingono?
Spiegazione: i costituenti del nucleo (nucleoni) sono legatida un nuovo tipo di forza, la forza nucleare (forte)
A distanze dell’ordine delle dimensioni dei costituenti nucleari essa prevale sulla repulsione elettrica fra i protoni.Essa ha cioè un raggio d’azione molto piccolo (10-15 m)!
Stabilità dei nuclei
Cosa rende instabile un nucleo?Perché alcune specie nucleari sono instabili e si disintegrano spontaneamente?Perché i vari processi di disintegrazione portano a configurazioni energeticamente più stabili.
Le modalità di disintegrazione sono diverse. La piùinteressante, nota come decadimento beta, ha strane caratteristiche. Essa provoca la trasformazione di neutroni in protoni (o viceversa), e risulta governata da un altro tipo di interazione nucleare chiamata interazione debole, molto meno intensa dell’interazione elettromagnetica(e ancor più dell’interazione nucleare forte).
Anch’essa non si manifesta fra corpi macroscopici: il suo raggio d’azione è piccolissimo (< 10-16 cm !)
Decadimento β: ipotesi del neutrino
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Se il decadimento β fosse una reazione nucleare a 2 corpi, cioé del tipo:−++−→ eZNYZNX )1,1(),(
con un neutrone che si trasforma in un protone, lasciando costante A=N+Z, l’elettrone emesso avrebbe un’energia ben definita:
22 )()( cMMcMEeE XYXY −≈−=−
Invece si è visto che la distribuzione di energia di energia degli elettroni emessi è continua
Per spiegarlo, senza rinunciare al principio di conservazione dell’energia, nel dicembre 1930 W. Pauli ipotizza che insieme all’elettrone venga emessa anche una particella neutra di spin ½ molto leggera: il neutrino (che Pauli chiamava neutrone).
trascurando la piccola energia cinetica di rinculodel nucleo Y(A,Z+1).
La teoria di Fermi e le interazioni deboli
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Nel 1934 Enrico Fermi formula una teoria che spiega il decadimento ββββ di
un nucleo attribuendolo ad una nuova interazione tra particelle che causa la
trasformazione di un neutrone in un protone, con la simultanea creazione di
una coppia elettrone-neutrino.
Fermi descrive formalmente il processo come un’ interazione diretta tra “correnti
deboli” di particelle di spin ½ , cioé senza l’azione di un campo mediatore (come
nella teoria quantistica del campo elettromagnetico).
La teoria di Fermi predice la frequenza di decadimenti β e gli spettri di
energia degli elettroni emessi in funzione di un solo parametro: la costante di
accoppiamento GF
Il valore di GF determina l’intensità dell’interazione
Valore piccolo di GF →→→→ interazione DEBOLE
235 )(10166.1 −−⋅= GeVcGF h Costante di Fermi
Interazioni forti, deboli ed e.m. nel Sole
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Le stelle producono energia con processi di combustione nucleare: ad alte p e T si innescano reazioni di fusione nucleare, dove sono coinvolte interazioni nucleari forti, deboli ed elettromagnetiche : pertanto vengono emessi νννν e γγγγ .
La principale sorgente di energia nel Sole è la catena di reazioni nucleari nota come ciclo p-p, con cui si ottiene elio partendo dall’idrogeno.
L’unità di energia eV
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In fisica atomica (e nucleare) è più conveniente utilizzare per l’energia l’unità di misura chiamata elettronvolt (eV), definita come:
JVCeV 602.1)(1)(10602.11 19 =⋅⋅= −
che equivale all’energia cinetica acquistata da 1 elettrone (di carica e) quando attraversa la differenza di potenziale di 1 Volt.
42222cmcpE +=
Data la relazione massa-energia della teoria della relatività
c
eVp
c
eVmeVE ,,)(
2
per semplificare i calcoli (eliminando le c) converrà utilizzare altre unità di misura anche per m e p:
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Due nuove interazioni (nei nuclei)
Interazione forte: Nuova interazione, più intensa di quella elettromagnetica, che non si manifesta fra oggetti macroscopici perché ha un raggio d’azione estremamente piccolo: 10-15 m!Ha un ruolo centrale nella formazione dei nuclei atomici.
Interazione debole: Un’altra interazione fondamentale, bizzarra e capricciosa! Incline a violare molte delle regole più sacre e rispettate dalle altre interazioni… Per esempio non riesce a formare stati legati di particelle.Per quanto debole, ha un ruolo centrale nell’innesco dell’ “accensione” delle stelle…
Le interazioni fondamentali
L’indagine sulla struttura della materia conduce dunque a studiare le proprietà dei costituenti (particelle di materia) e delle quattro interazioni fondamentali.
Come si fa? Come sempre per studiare la struttura della materia: Teoria : costruzione di modelli Esperimento: invio di sonde di vario tipo
(particelle-proiettile contro un bersaglio da studiare)
Principi fondamentali di indaginein fisica delle particelle
Modelli ed esperimenti funzionano in accordo con i “sacri pilastri” della fisica moderna:
Teoria della relatività
Meccanica quantistica
1 - effetti relativistici
Nuovo modo di considerare materia ed energiaDue conseguenze importanti:
Equivalenza fra massa ed energia: E=mc2
(Einstein, 1905)
→ Possibilità di trasformare l’una nell’altra→ Possibilità di processi in cui le particelle si creano o
si distruggono
Esistenza delle antiparticelle(Dirac, 1928; Anderson, 1932)
→ Ogni particella (elettrone, protone, ..) ha una “gemella”di uguale massa e carica opposta: si tratta della sua anti-particella.
2 - effetti quantistici
Nuovo modo di considerare materia e forze.Due conseguenze importanti:
Quantizzazione dell’energia
→ Esistenza di livelli energetici discreti
Caratteristiche ondulatorie nel comportamento delle particelle
→ Il moto delle particelle assomiglia a quello di un’onda
Massa ed energiaParticelle di massa elevata possono essere create trasformandoenergia cinetica in massa.Per formare una massa grande, servono proiettili con grande energia cinetica: per raggiungerla, bisogna usare un acceleratoredi particelle !
Potere risolutivo delle sondeProiettili di energia elevata hanno velocitàelevata.Quindi, secondo la Meccanica Quantistica:
formula di De Broglie
hanno una lunghezza d’onda piccola
Quindi sono in grado di mettere in evidenza dettagli più minuscoli della struttura dei bersagli.
p
h=λ
Applicazione: il microscopio elettronico
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Per osservare dettagli molto piccoli (es: virus, …) occorre una λ piccola !!Conviene usare elettroni ad energia elevata
Accelerandoli a 100 kV, λ e’ 10000 volte più piccola di quella della luce visibile! Inoltre è facile guidarli e focalizzarli con campi elettromagnetici.
0.3 mmDettaglio minimo 1 µµµµm
Es: immagine con microscopio elettronico a scansione
AcceleratoriUn acceleratore è in pratica un
Super Microscopio
Condizioni preferite: collisioni testa a testa fra coppie di particelle in movimento (più energia che può trasformarsi in massa)
Acceleratori lineari e circolari
SLAC – Stanford, California CERN, Ginevra, SvizzeraAcc. Lineare – 3 km Acc. circolari
SPS (7 km), LEP/LHC (27 km)
Macchine enormi e sofisticate, con complessi sistemi di campi elettrici (per accelerare) e di campi magnetici (per curvare e focalizzare i fasci accelerati).
Rivelatori di particelle
I sostituti dellI sostituti dell’’occhio occhio umano, per umano, per ““vederevedere””particelle e radiazioni di particelle e radiazioni di alta energia, sono anche alta energia, sono anche loro sistemi grandi e loro sistemi grandi e complessicomplessi……
Dotati di elettronica, Dotati di elettronica, ottica e meccanica di ottica e meccanica di precisione.precisione.
E di migliaia di computerE di migliaia di computer
CDF/FNAL
ALEPH/CERN
Lo zoo delle particelleMoltissime particelle “parenti” di protone e neutrone, cioé che interagiscono fortemente e che vengono chiamate collettivamente adroni sono state osservate nel corso degli anni in collisioni ad alta energia (agli acceleratori o nei raggi cosmici).La situazione è simile a quella incontrata per atomi e nuclei...
Q = - 1 Q = 0 Q = + 1
S = + 1 K0
K+
S = 0 π + π 0 , η π +
S = - 1 K+
K0
Q= -1 Q= 0 Q=+1
S= 0 n p
S= -1 Σ− Σ0 ,Λ Σ+
S= -2 Ξ+ Ξ0
Q = - 1 Q = 0 Q = + 1 Q = + 2
S = 0 ∆ − ∆ 0 ∆ + ∆ + +
S = - 1 Σ ∗ − Σ ∗ 0 Σ ∗ +
S = - 2 Ξ ∗ − Ξ ∗ 0
S = - 3 Ω −
Nei raggi cosmici è stato anche scoperto il muone (che non è un adrone)
⇒⇒⇒⇒ Indizi di una sottostruttura negli adroni
Domanda: il protone e gli altri adroni sono elementari o composti, come sembra suggerire il numeroso zoo di particelle osservato?Verifica sperimentale: collisioni ad alta energia fra elettroni (sonda elettromagnetica, à la Rutherford) e protoni.
Si osservano spesso elettroni diffusi a grandi angoli⇒ indicazione chiara di costituenti puntiformi “dentro” il protone
Anche il protone ha una struttura interna…
elettrone
quark
fotoneprotone
QuarkQuali sono i costituenti del protone? I quark.Un enorme lavoro, sperimentale e teorico, ha portato a concludere che i quark:• sono puntiformi• sono di sei tipi (sapori):
up, down, strange, charm, bottom (beauty), top
• hanno una carica elettrica frazionaria (2/3 o -1/3)• interagiscono fortemente (se non sono troppo vicini…)• non si osservano liberi• si osservano solo sotto forma di stati legati (gli adronisono di due tipi: barioni e mesoni)
Barioni: 3 quark Mesoni: quark-antiquark
p π+
La forza nucleare forte tra gli adroni rappresenta una specie diforza residua delle interazioni tra i quark costituenti.
Leptoni
Si è inoltre scoperto che ad ogni leptone carico è associato un leptone neutro e molto leggero (quasi privo di massa). A tali particelle si è dato il nome di neutrini, e ve n’è uno per ogni tipo di leptone carico.
Gli elettroni appartengono alla famiglia dei leptoni, ovvero particelle (puntiformi) che non sono soggette alle interazioni forti. Nel corso degli anni sono state scoperte altre 2 particelle cariche più pesanti dell’elettrone, ma con caratteristiche simili: il µ e il τ. Si hanno dunque tre tipi di leptoni carichi, cioè particelle soggette solo alle interazioni deboli ed elettromagnetiche (in quanto cariche):
Elettrone e
Muone µµµµTauone ττττ
Neutrino elettronico ννννe
Neutrino muonico ννννµµµµ
Neutrino tauonico ννννττττ
I neutrini (in quanto privi di carica) non sono soggetti alle interazioni elettromagnetiche, ma solo a quelle deboli. Per questo motivo la loroprobabilità di interazione è bassissima.
Teoria dell’interazione elettromagneticaElettroDinamica Quantistica (QED)
Nella visione moderna, le cariche elettriche “si sentono”emettendo e assorbendo continuamente fotoni: quanti di luce
Molti processi: collisione, annichilazione, materializzazione,..
FotoneFotone
È come “scuotere” una particella carica: classicamente essa emette onde elettromagnetiche (fotoni=quanti di luce), che a loro volta “scuotono”le particelle cariche che incontrano: così avviene l’interazione a distanza.
I diagrammi di Feynman
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L’interazione tra due cariche elettriche viene rappresentata come “mediata”dallo scambio di fotoni, particelle di massa nulla e di spin intero (sono “bosoni”).L’intensità dell’interazione è data dalla costante d’accoppiamento αααα(proporzionale al prodotto delle cariche elettriche interagenti) moltiplicata per un termine chiamato “propagatore” che dipende dall’energia/quantità di mototrasferite (dal fotone scambiato).
Intorno al 1950 Richard Feynman introduce una rappresentazione grafica dei processi elettromagnetici che consente di calcolarne facilmente la probabilità
Vengono date le seguenti “regole di Feynman” per il calcolo dell’ampiezza quantistica di un processo (il cui quadrato darà la probabilità): ad ogni vertice d’interazione si associa un termine al propagatore fotonico si associa
L’ampiezza è data dal prodotto dei termini così costruiti:
22
1
qqA
ααα =∝
α2/1 q
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Le interazioni deboli nel Modello Standard
L’interazione debole non è “puntiforme”, come nella teoria di Fermi, ma essendo determinata dallo scambio di un bosone mediatore (W o Z) moltopesante, il suo raggio d’azione risulta molto piccolo (∼2·10-3 fm)
2
,
2
ZWMq
gA
+∝
La teoria di Fermi del 1934 va considerata come una versione approssimata della teoria elettro-debole del Modello Standard, e resta valida nel limite di basse energie (ad es. per i decadimenti radioattivi β).
La “debolezza” dell’interazione è causata dal termine di “propagatore”, che contiene al denominatore la massa al quadrato del bosone mediatore.
Ad es. nel decadimento del neutrone viene scambiato un bosone W-, ed il diagramma di Feynman che descrive il processo è:
Oppure, tenendo conto che un neutrone è formato da tre quark (udd) ed un protone da tre quark (uud), lo stesso processo viene descritto dal diagramma:
L’unificazione elettro-debole
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La teoria delle interazioni elettro-deboli del Modello Standard (Glashow,Weinberg e Salam, 1967) incorpora in un’unica teoria le interazioni debolie quelle elettromagnetiche.
Partendo dalle proprietà di invarianza delle interazioni sotto opportunetrasformazioni matematiche, si trova che la teoria deve includere 4 bosoni mediatori di forza:
uno è il fotone γγγγ (di massa nulla); poi ve ne sono altri tre, massivi: uno è neutro (Z0), e due sono
carichi (W+, W-)
Gli accoppiamenti dei diversi bosoni ai vertici d’interazione sono tra lorocollegati dalla relazione:
dove l’angolo di Weinberg θW si determina dall’esperimento:
Gli accoppiamenti di γ, W e Z sono del medesimo ordine di grandezza.Che cosa é allora che rende “debole” l’interazione debole? E qual è il suo “raggio d’azione”?
2/05.043.80 cGeVmW ±=2/002.0188.91 cGeVmZ ±=
WW gge θθ cossin '==
23.0sin2 ≈Wθ
19831983C. RubbiaC. Rubbia
Esp. UA1Esp. UA1al CERNal CERNsul collidersul collider
SPSSPS
Scoperta dei bosoni Z e W al CERN
__
eeW ν−+ →
−+−+→ µµ,0eeZ
La teoria delle interazioni forti (QCD)
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Nel 1973 D. Gross, F. Wilczek e D. Politzer propongono una nuovateoria quantistica delle interazioni forti, la Cromodinamica Quantistica (QCD)sul modello della QED, ma con le seguenti caratteristiche: L’interazione forte si esercita tra quark, in quanto essi sono
dotati di una proprietà chiamata colore, che ha la funzione di una“carica forte”
L’interazione forte è mediata dai gluoni (g), bosoni di massa nulla; I gluoni sono accoppiati al colore, così come il fotone γ si accoppia
alla carica elettrica per le interazioni elettromagnetiche il colore e’ un numero quantico che si conserva con tre valori:
red, green, blue. DIVERSAMENTE dalla QED, i gluoni trasportano la carica dell’interazione
(sono dotati di colore+anticolore) Inoltre al crescere della distanza tra i quark la forza di colore aumenta.
Il confinamento dei quark in QCD
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Le particelle soggette all’interazione forte sono chiamate adroni.Esse si dividono in due grandi famiglie:
i barioni, composti da tre quark i mesoni, composti da un quark + un antiquark.
Tuttavia i quark componenti si trovano sempre in una combinazione di colori tale che lo stato risultante NON HA COLORE.
Infatti al crescere della distanza tra i quark aumenta l’intensità dell’interazioneforte che li tiene confinati all’interno degli adroni (come in una molla)
Dunque è impossibile separare i quark (cioé le particelle colorate) che compongono gli adroni. Ed è impossibile osservare dei quark in uno stato libero, tranne che in particolari condizioni di alte densità o temperature: in tali casi può formarsi uno stato particolare della materia chiamatoQuark Gluon Plasma (QGP).
La forza nucleare forte tra due adroni è una specie di forza residuatra i quark che li costituiscono (come le forze di Van der Waals tra molecole)Essa equivale allo scambio di un mesone π (come nella teoria di Yukawa).
Le 3 interazioni del Modello Standard
Interazioni elettromagnetica e debole: unificate ad alta energia nell’ interazione elettrodebole, sentita da quark e leptoni
Avviene tramite lo scambio di 4
particelle mediatrici (fotone, W±±±±,Z0)W±,Z0 :parenti “pesanti” del fotone
Interazione di colore: sentita dai soli quark
Avviene con lo scambio di 8particelle mediatrici (gluoni)Quark e gluoni apparentemente sempre confinati dentro gli adroni
Il Modello Standard: materia e quanti d’interazione
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BO
SO
NI
(sp
in 1
o 2
) FE
RM
ION
I ( spin
½)
Le particelle di materia (quark e leptoni) interagiscono tra loro scambiandosi bosoni (quanti portatori di forza): la forza può essere attrattiva o repulsiva
forteforte
gravitazionalegravitazionale
deboledebole
elettromagneticaelettromagnetica
(anche la gravità appare inclusa in questa trattazione quantistica (gravitoni),
anche se in realtà non fa parte del Modello Standard)
Verifiche del Modello Standard a LEPGli esperimenti al LEP, il collider e+e- in funzione al CERN dal 1989 al 2000, (energia di collisione: 91-209 GeV), non hanno scoperto nuove particelle, ma hanno verificato le predizioni del Modello Standard con altissima precisione:– misura della massa di Z e W (∆m/m ~10-5-10-4)– determinazione del numero delle famiglie leptoniche: Nνννν=3– misura degli “accoppiamenti” : Z/W-leptoni, Z/W-quark
qqqqWWee →→ −+−+
Questioni aperte nel Modello Standard Le misure effettuate al LEP hanno confermato che la proprietà di
simmetria alla base del Modello Standard è corretta.
Ma la simmetria è valida solo se tutte le particelle hanno massa nulla
E invece si osservano grosse differenze tra le masse delle particelle(ed anche tra quelle dei bosoni portatori di forza).
La simmetria è “rotta”
Qual è l’origine della massa?
Perché le particelle hanno la massa che hanno?Perché vi sono così grosse differenze? (mtop=180 GeV/c2, quando invecela massa di un protone (che contiene tre quark uud) vale circa 1 GeV/c2)
E perché alcune (come il fotone) hanno massa nulla?E i neutrini, che massa hanno?
Il bosone di Higgs
Deve esistere un “qualcosa” che rompe la simmetria del vuotoe che interagendo con le particelle dà loro massa
Può essere un nuovo campo elementare (BOSONE di HIGGS)oppure la manifestazione di una nuova interazione.
La massa del bosone di Higgs è un parametro sconosciuto del Modello Standard.
Il meccanismo di rottura della simmetria elettrodebole è il problema centrale della fisica delle particelle attuale
Altre questioni aperte nel Modello Standard
contiene troppi parametri; non vi è una spiegazione per l’esistenza di
3 famiglie di particelle
è incompleto; e la gravità? Perché è così debole?
non prevede masse per i neutrini, non ne spiega la piccolezza
non spiega la materia oscura presente nell’Universo (solo il 4% della
materia dell’Universo è visibile!)
Materia oscura Materia non oscura
Il Modello Standard ha superato molti test, eppure anche se l’Higgs venisse trovato vi sono degli elementi di insoddisfazione:
Altre idee: la SuperSimmetriaAd ogni particella che conosciamo corrisponde Ad ogni particella che conosciamo corrisponde
una una ““particella ombraparticella ombra”” (e viceversa) molto pesante...(e viceversa) molto pesante...
ad ogni ad ogni quarkquark corrisponde uno corrisponde uno ss--quarkquark(s sta per (s sta per ““shadowshadow””))
ad ogni ad ogni leptoneleptone corrisponde uno corrisponde uno ss--leptoneleptone
Ad ogni bosone mediatore Ad ogni bosone mediatore ...one...onecorrisponde un corrisponde un ...ino (fermione)...ino (fermione)
Es.: Es.: fotone fotone →→→→→→→→ fotinofotino
È una simmetria tra particelle con spin diverso:bosoni ↔↔↔↔ fermioni
Se le supersimmetria esiste, verrà esplorata a LHC
Le particelle supersimmetriche
1/21/2 Leptoni (e, Leptoni (e, ννννννννee, , ……))
Quark (u, d, Quark (u, d, ……))
11 GluoniGluoni
WW±±
ZZ00
Fotone (Fotone (γγγγγγγγ))
00
22
HiggsHiggs
GravitoneGravitone
SpinSpin Particelle del MSParticelle del MS
Sleptoni (e, Sleptoni (e, ννννννννee, , ……))
Squark (u, d, Squark (u, d, ……))
SpinSpinSuperparticelleSuperparticelle
00
1/21/2GluiniGluini
WinoWino
ZinoZino
Fotino (Fotino (γγγγγγγγ))
1/21/2
3/23/2
HiggsinoHiggsino
GravitinoGravitino
~~
~~ ~~~~~~
Neutralino: particella supersimmetrica piuNeutralino: particella supersimmetrica piu’’ leggeraleggera
Altre questioni aperte….
Dov’è finita l’antimateria?Quando nato l’Universo materia e antimateria esistevano in eguali proporzioni….
In quale stato era la materia qualche frazione di secondo dopo ilBig Bang? Si trovava nello stato di plasma di quark e gluoni (QGP)? È possibile riprodurlo in qualche modo in laboratorio, facendo avvenirecollisioni di particelle ad altissima energia?
Esistono delle extra-dimensioni dello spazio, di scala talmente piccolada risultare invisibili a bassa energia? Sarà possibile osservarne degli effetti all’energia di LHC? Saranno creati dei mini-buchi neri?(se sì, saranno comunque di massa molto piccola, e decadranno in tempi brevissimi ∼10-27 sec. Non c’è alcun pericolo !!!).
Le tre frontiere della fisica delle particelle
1. La frontiera dell’alta energia: si cerca di riprodurre in laboratorio le condizioni simili al Big Bang per mettere in evidenza direttamente eventuali nuovi fenomeni e particelle (Supersimmetria, Higgs, materia scura), oltre le predizioni del Modello Standard.
2. La frontiera della precisione e della rarità: si producono enormi quantità di particelle elementari per studiarne le proprietàdei loro decadimenti con grande precisione al fine di identificare eventuali deviazioni dalle predizioni del Modello Standard.
3. La frontiera cosmica: si rivelano le proprietà delle particelle di origine cosmica (protoni, nuclei, raggi gamma, neutrini, radiazione di fondo, etc.) per comprendere la natura dell’Universo e la sua relazione con il mondo microscopico.
La frontiera dell’alta energia:la nuova era di LHC
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Il Large Hadron Collider
Parametri principaliEnergia/fascio 7 TeVCampo Magn Dipoli 8.3 TLuminosità 1034cm-2 s-1
Corrente per fascio 0.56 AProtoni per bunch 1011
Tempo tra 2 bunch 25 nsEnergia immagazzinatain un fascio 370 MJ
Costruito al CERN nello stesso tunnel di LEP (27 km, 100 m sottoterra)
– Collisioni pp a fasci incrociati, con energia 7+7=14 TeV(e anche collisioni PbPb, con energia 5.5 TeV/nucleone)
– Pacchetti di 1011 p che si incrociano ogni 25 ns– 3 esperimenti (ALICE, ATLAS, CMS) nei punti di intersezione dei fasci– 1 esperimento (LHCb) a bersaglio fisso + esperimenti più piccoli
Lo schema di LHCI protoni (o gli ioni Pb) vengono prima accelerati da un acceleratore lineare (LINAC), e poi accelerati ulteriormente in una serie di acceleratori circolari di dimensioni via via maggiori (PSB, PS e SPS). Solo alla fine vengono iniettati nell’anello di LHC, all’interno del quale sono accelerati (dalle cavità a radiofrequenza) fino all’energia massima di 7 TeV.I due fasci circolanti in direzioni opposte vengono poi fatti collidere in alcuni “punti d’intersezione”, in corrispondenza dei vari esperimenti.
Nel tunnel di LHC
1232 magneti principali (dipoli)+ 3700 magneti correttori (multipoli)
I magneti superconduttori di LHC
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• I dipoli superconduttori (T=1.9 K) producono un campo magnetico di 8.4 T, necessario per incurvare la traiettoria dei protoni, mantenendoli sulla traiettoria circolare lungo l’anello di LHC
• L’energia racchiusa in ognuno dei 1232 magneti e’ = 7 MJ• Un dipolo pesa 34 tonnellate
Sala di controllo di LHC
Struttura tipica di un esperimento a LHC
Zona più interna: rivelatori a bassa densita’ pertracciare le particelle caricheche idealmente interagisconosolo per ionizzazione
I muoni sono identificati per tracciatura dopo aver attraversato i calorimetri ed il traferro del magnete
Una calorimetriaermetica permette dievidenziare la produzionedi neutrini come energiatrasversa mancante
Tipicamente sono necessarie decine di milioni di canali di elettronica
Gli esperimenti di LHCDue esperimenti giganteschi: ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) eCMS (Compact Muon Solenoid) basati su rivelatori “general-purpose”disegnati per investigare tutti i possibili fenomeni prodotti nellecollisioni di LHC con enfasi sulla ricerca di ‘nuova fisica’ (Higgs e Supersimmetria). Due esperimenti sono necessari per una verificaincrociata dei risultati.
Due esperimenti di dimensione media: ALICE (A Large Ion Collider Experiment) per la ricerca del Plasma di Quark e Gluoni in collisioni tra nuclei di piombo ad un’energia totale di 5.5 TeV/nucleone (un nucleo di piombo ha 208 nucleoni). LHCb (Large Hadron Collider beauty) per lo studio dei decadimenti di particelle contenenti il quark b (e la sua antiparticella), che potrebbero far luce sull’assenza di antimateria nell’Universo odierno
Due piccoli esperimenti TOTEM (TOTal Elastic and diffractive crosssection Measurement) e LHCf (Large Hadron Collider forward) chestudiano solo le particelle prodotte “in avanti” , e sono installati inprossimità di CMS ed ATLAS rispettivamente
ATLAS
45 metri di lunghezza, 25 metri di diametro è il più grande rivelatore di particelle mai costruito. Ci lavorano circa 2000 scienziati di più di 150 istituti.
Compact Muon Solenoid (CMS)
Peso totale 12500 tonDiametro 15 mLunghezza 22 mCampo magnetico 4T
ATLAS e CMS a confronto
CMS“piccole” dimensioni,
alta densita’, 12500 ton
ATLAS grandi dimensioni
“bassa” densita’, 7000 ton
Rivelatori in CMS
Muoni di alta energia possono essere prodotti solo dal decadimento di una particella pesante (Higgs?) sono facili da identificare è necessario misurare con precisione la loro quantità di moto⇒ misura della deflessione in un campo magnetico molto intenso (4T)
I modi di decadimento del bosone di Higgs H
H γγH ZZ 4l (2ν, 2µ, 2e)H WW 4l….
2835 pacchetti/fascio
1011 Protoni/pacchetto
IB = 0.6A
Efascio= 360 MJEmagneti= 600 MJ, Total 1 GJ
Eprotoni = 7 TeV
Con questi parametri >1 anno di operativita’ completa per la scoperta
H?
Alla scoperta del bosone di Higgs
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H → ZZ → µ+µ-µ+µ-
Evento con 4µ di grande quantità di moto
Le particelle di bassa energia vengono curvate maggiormentedal campo magnetico solenoidale
p p
µ +
µ -
µ +
µ -
Z
Z
ALICE
Obiettivi di ALICE
Capire una proprietà basilare delle interazioni forti: il (de)confinamento
Verificare le condizioni della transizione di fase dal plasmadi quark e gluoni (QGP) ad adroni (transizione avvenutanell’Universo primordiale alcuni microsecondi dopo il Big Bang)
Studiare il diagramma di fase della materia nucleare: produrre e studiare le proprietà del QGP
La transizione di fase a QGPLa teoria delle interazioni forti (QCD) predice che in condizioni estreme di densità e temperatura la materia passa ad un nuovo stato in cui i quarke i gluoni non sono più confinati all’interno di particelle composte quali protoni e neutroni: tale stato è il Quark Gluon Plasma (QGP).
Tale transizione di fase dovrebbe avvenire quando la temperatura eccede un valore critico di 2000 miliardi di gradi (100mila volte la temperatura all’interno del sole)
La transizione è avvenuta in senso inverso (da QGP a materia nucleare ordinaria) nei primi istanti di vita dell’Universo.
neutrone = udd
Protone = uud
Il plasma di quark e gluoni
La forza che tiene insieme i quark cresce con la distanza, ma a distanze piccole diventa relativamente debole.
Se si riesce a mettere molto vicini un gran numero di quark e di gluoni, otterremo una zona in cui quark e gluoni possono
“circolare” liberamente, contrariamente a quello che fanno di solito.
Si otterrà cioé un sistema di quark e gluoni colorati liberi: il quark-gluon plasma (QGP)
Come creare il QGP in laboratorio?
Si possono usare gli acceleratori di particelle:
scegliendo come proiettili degli ioni (nuclei privi di elettroni) pesanti , cioé contenenti molti protoni e neutroni (e dunquemolti quark e gluoni). Ad esempio il Piombo, che ha 82 protoni e 126 neutroni.
Gli ioni vengono accelerati a velocità relativistiche e poi fatti collidere. Si può così creare una zona “calda” e “densa”nella quale vengono riprodotti i valori di temperatura necessari per formare il QGP.
In ALICE si studieranno le collisioni tra due fasci di ioni di Piombo, accelerati dal collider LHC in direzioni opposte, e poi fatti collidere frontalmente.
Problemi
Un’ interazione PbPb all’energia di LHC produrrà migliaia diparticelle
Notevoli difficoltà tecniche per progetto/realizzazione dei rivelatoriche dovranno identificare e analizzare tali particelle.
Il QGP ha una “vita” effimera (10-21 s !)
Durante questa breve vita si verificano dei processi di espansione eraffreddamento che provocano una transizione verso particelle “ordinarie” (non colorate). Queste, dopo una fase relativamente più lunga di interazioni reciproche, “volano” verso i rivelatori.
Sono queste le particelle che “vediamo”nei nostri rivelatori, e NONi quark e i gluoni del Quark-Gluon Plasma. Occorre pertanto identificare dei segnali univoci dell’avvenuta formazione (per brevissimi istanti) del QGP.
Tecnici
Concettuali
Simulazione di un evento PbPb in ALICE
La frontiera della precisione
• Esperimenti in cui si producono enormi quantità di:– Mesoni “strani” (K) e “belli” (B) (contenenti rispettivamente il
quark “strange” e il “beauty”), per studiare la violazione della simmetria CP, collegata con l’ asimmetria cosmica tra materia e antimateria.
– Leptoni neutri (neutrini)– Leptoni carichi (muoni)
• Se ne osservano le proprietà sfruttando il potere predittivo del Modello Standard
• Si cerca di mettere in evidenza eventuali deviazioni dalle predizioni teoriche al fine di scoprire, tramite le fluttuazioni quantistiche, gli effetti di nuove interazioni e nuove particelle
Progetto di una Super-B factory nei pressi di Roma !
Anziché aumentare sempre di più l’energia dei fasci di particelle, se ne può aumentare l’intensità.
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GigatrackerGigatrackerGigatrackerGigatracker10 10 10 10 9999 part/spart/spart/spart/s
ANTIANTIANTIANTI
KRIPTOKRIPTOKRIPTOKRIPTO
RICHRICHRICHRICH
Tubo di decadimento (~ 120 m)Tubo di decadimento (~ 120 m)Tubo di decadimento (~ 120 m)Tubo di decadimento (~ 120 m)~10 ~10 ~10 ~10 ---- 6666 mbarmbarmbarmbar
•Studiera` I decadimentiStudiera` I decadimentiStudiera` I decadimentiStudiera` I decadimentiultrarari dei mesoni ultrarari dei mesoni ultrarari dei mesoni ultrarari dei mesoni KKKK con con con con una una una una Sensibilita` ~ 10Sensibilita` ~ 10Sensibilita` ~ 10Sensibilita` ~ 10----12121212
•Cerchera` di evidenziare effetti Cerchera` di evidenziare effetti Cerchera` di evidenziare effetti Cerchera` di evidenziare effetti di nuova fisica tramite lo studiodi nuova fisica tramite lo studiodi nuova fisica tramite lo studiodi nuova fisica tramite lo studiodi processi quantistici virtualidi processi quantistici virtualidi processi quantistici virtualidi processi quantistici virtuali
Un fascio di neutrini viene prodotto al CERN e “sparato” verso il rivelatore OPERA,
situato nei laboratori sotterranei del Gran Sasso.
Un viaggio di 730 chilometri in appena 2,5 millisecondi!
L’obiettivo è quello di studiare le ‘oscillazioni di sapore’ dei neutrini, cioé il loro ‘cambiamento di identità’ durante il percorso (p.es: νµ → ντ )
La frontiera cosmica
Spettro di energia dei raggi Cosmici (Auger)
Mappa radiazionecosmica Mappa radiazionecosmica Mappa radiazionecosmica Mappa radiazionecosmica di corpo nero ~2.73 K (WMAP)di corpo nero ~2.73 K (WMAP)di corpo nero ~2.73 K (WMAP)di corpo nero ~2.73 K (WMAP)
Dalle energie piu`piccole a quelle piu` elevate!
Dalle energie piu`piccole a quelle piu` elevate!
Dalle energie piu`piccole a quelle piu` elevate!
Dalle energie piu`piccole a quelle piu` elevate!
~2.6 10~2.6 10~2.6 10~2.6 10----4444 eVeVeVeV
~10~10~10~1020202020 eVeVeVeV
Lancio della navicella Boomerang dall’Antartide nel 2003.
Obiettivo: misura del fondo cosmico di microonde (radiazione fossile).
BOREXINOPer la rivelazione in tempo reale dei neutrini cosmici
Il ghiaccio della calotta polare cattura neutrini cosmici .
La luce Cherenkov emessa viene rivelata da dispositivi
calati in cavità scavate nel ghiaccio (e profonde 2.5 km)
IceCube in Antartide
NEMO (Neutrino Mediterranean Observatory): è un potentissimo
telescopio sottomarino progettato per ricercare i neutrini galattici.
Collocato a 3500 metri di profondità a 80 km dalla costa siciliana
Consiste in una griglia sottomarina di rivelatori acusticiConsiste in una griglia sottomarina di rivelatori acustici
che misurano i deboli segnali termoche misurano i deboli segnali termo--acustici prodotti dalla dissipazione dacustici prodotti dalla dissipazione d’’energia energia
degli sciami di particelle generati al passaggio dai neutrini.degli sciami di particelle generati al passaggio dai neutrini.
E la forza gravitazionale ?La teoria della Relatività Generale
Einstein nel 1916 formula la Teoria della Relatività Generale, una nuova teoria della gravitazione compatibile con il principio di equivalenza e il principio di relatività. Essa sostituisce ed estende la teoria della gravitazione universale di Newton (che ne costituisce il limite per bassi valori di campo gravitazionale e basse velocità).
In tale teoria i fenomeni gravitazionali sono manifestazioni della geometria dellospazio-tempo curvo:1) la curvatura dello spazio-tempo è
determinata dalla presenza di masse;2) ogni altra massa si muove nello
spazio-tempo seguendone la curvatura, cioé lungo le traiettorie piùbrevi sullo spazio-tempo curvo.
Predizioni più significative dellaTeoria della Relatività Generale
1. La luce è deflessa dai campi gravitazionali, p.es. dalla massa solare (lenti gravitazionali)
2. Precessione (avanzamento) del perielio dei pianeti (per Mercurio è di 43’’ d’arco per secolo)
3. Spostamento verso il rosso delle frequenze luminose in presenza di campi gravitazionali
4. Esistono le onde gravitazionali (ma occorre ancora rivelarle)
5. Esistono i buchi neri, regioni di spazio dove la forza gravitazionale è così intensa che nemmeno la luce può sfuggire (dunque non possiamo vederci dentro!)
6. L’universo non può essere statico. Si espande. Dunque ha avuto origine da un’esplosione iniziale, il Big Bang
7. Le stelle hanno un limite superiore di massa oltre il quale,al momento in cui hanno finito il carburante collassano necessariamente in buchi neri
L’interferometro VIRGOCostruito a Cascina, vicino a Pisa, da una collaborazione italo-francese, è entrato in funzione nel 2003.
Obiettivo: rivelare le onde gravitazionali previste dalla Teoria della RelativitàGenerale di Einstein.
Si tratta di un interferometro à la Michelson-Morley, con due bracci di 3 km disposti ad angolo retto. Uno specchio semitrasparente divide il fascio laser incidente in due componenti uguali mandate nei due bracci, poi ricombinate. Un’ onda gravitazionale entrante dovrebbe deformare lo spazio-tempo, e dunque la lunghezza dei bracci del rivelatore, creando un piccolissimo sfasamento tra i fasci, e con esso un'alterazione dell'intensità luminosa osservata, proporzionale all'ampiezza dell'onda gravitazionale.
Gravitazione e Meccanica Quantistica
L’interazione gravitazionale è ben conosciuta a livello macroscopico, anche nella versione di Einstein della Relatività Generale (1916), che risulta in ottimo accordo con molte verifiche sperimentali.
Tuttavia, fino ad oggi è stato impossibile costruirne una versione microscopica che incorpori i principi della meccanica quantistica in maniera consistente (cioé senza divergenze).
Oggi molti ritengono che il problema delle divergenze possa essere superato con la teoria delle stringhe: oggetti uni-dimensionali di estensione molto piccola, le cui vibrazioni corrispondono alle diverse particelle elementari.
La teoria delle stringhe prevede l’esistenza della supersimmetria (da qui il termine superstringhe), nonché di 6 dimensioni spaziali “extra”, a noi invisibili perché “arrotolate” su se stesse.
Teoria del Tutto
Esiste une teoria che incorpori Modello Standard e Relatività Generale? Esiste cioé una teoria che descriva in modo unificato tutte e quattro le
interazioni fondamentali?
La Teoria M, introdotta da Edward Witten nel 1995, costituisce oggi l’approccio l’approccio più promettente verso una descrizione quantistica unitaria che includa la gravità.
Essa ha unificato le 5 teorie esistenti di superstringhe (che “vivono” in 10 dimensioni). La Teoria M ha 3 ingredienti fondamentali:1) gli oggetti elementari sono stringhe o brane (oggetti estesi);2) lo spazio-tempo ha 7 dimensioni extra (per un totale di 11 dimensioni
in cui “vive” la teoria);3) esiste la supersimmetria.
Il campo è aperto a ulteriori sviluppi…
Conclusioni - I Il lungo cammino iniziato dai filosofi greci nel cercare di spiegare i
fenomeni naturali a partire da un numero limitato di costituenti elementariinteragenti tra di loro con determinate forze, ha portato a scoprire quattro interazioni fondamentali: gravitazionale, elettromagnetica, debole e forte.
Il Modello Standard delle particelle elementari descrive con successo le interazioni tra i mattoni fondamentali della materia (quark e leptoni) con teorie quantistiche di campo che prevedono lo scambio di particellemediatrici dell’interazione (bosoni). Le interazioni elettromagnetiche e deboli vengono descritte in maniera unificata dalla Teoria Elettrodebole, mentre le interazioni forti vengono descritte da una teoria più complessa, la Cromodinamica Quantistica (QCD), secondo la quale i quark sono normalmente “confinati” all’interno degli adroni.
Tutti i fenomeni gravitazionali oggi noti sono invece accuratamente descrittidalla teoria della Relatività Generale di Einstein, che ha esteso la teoria classica di Newton. Tale teoria è tuttavia incompatibile con una trattazionequantistica, in quanto genera delle inconsistenze matematiche su scala ultramicroscopica.
Conclusioni - II Nel Modello Standard, a dispetto dei suoi enormi successi, rimangono
molte questioni tuttora aperte: l’origine della massa delle particelle; la natura del confinamento dei quark; la scarsa presenza di antimateria nell’Universo attuale; l’esistenza delle particelle previste dalla supersimmetria; l’esistenza della materia oscura e dell’energia oscura.
Gli esperimenti realizzati ad LHC consentiranno di rispondere ad alcune di queste domande, portandoci oltre le conoscenze attuali.Altre risposte verranno dagli esperimenti che studiano fenomeni rari con grande precisione, nonché da quelli che osservano particelle cosmiche.
Non esiste ancora una teoria quantistica del campo gravitazionale priva di inconsistenze matematiche. D’altro canto essa sarebbe necessaria per comprendere la dinamica di oggetti astrofisici come i Buchi Neri e per spiegare l’ evoluzione dell’Universo fin dai tempi del Big Bang, quando era concentrato in un volume microscopico.
La struttura unitaria delle forze della Natura deve ancora essere compresa.La teoria M e le varie teorie di superstringhe costituiscono certamente approcci promettenti, ma molto resta ancora da capire.
RingraziamentiE. Menichetti, P. Gambino, P. Fré, E. Migliore, E. Scomparin, A.Staiano,
S. Bagnasco, A. Zanini.
Siti-web consigliati: http://www.infn.it/comunicazione/main.php http://www.asimmetrie.it/ http://scienzapertutti.lnf.infn.it/ http://education.web.cern.ch/education/Chapter2/Intro.html http://cms.web.cern.ch/cms/Education/index.html http://atlas.ch/students.html http://aliceinfo.cern.ch/Public/Welcome.html http://www.particleadventure.org/ http://livefromcern.web.cern.ch/livefromcern/antimatter/ http://interactions.org/quantumuniverse/ http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/HFrame.html http://superstringtheory.com/
Marco Monteno (INFN Torino)e-mail: [email protected]