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Planetario Milano - 20/11/2012 1
Marco G. GiammarchiIstituto Nazionale di Fisica NucleareVia Celoria 16 – 20133 Milano (Italy)
[email protected]://pcgiammarchi.mi.infn.it/giammarchi/
Outline:
1. Le Particelle fondamentali
2. Le Forze fondamentali
3. L’Universo a particelle
4. Il Modello Standard
( M. Fanti, 22/11/2012)
Cosmo e Particelle(Introduzione alla scoperta del Bosone di Higgs)
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Cosa abbiamo imparato (a scuola) ?
Materia: composta da costituenti fondamentali: Molecole, Atomi, Nuclei
1. Le Particelle fondamentali
Ossigeno
IdrogenoIdrogeno
m1010
Molecole: costituenti della materia
Ipotizzate per comprendere la Chimica
Leggi di Dalton e di Avogadro (1803-1811)
Dimostrazione sperimentale finale: Perrin (1911)
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A loro volta le Molecole sono composte da Atomi
Atomo = Nucleo, Elettroni
Diversi tipi di atomi:
La Tavola Periodica
Nucleo = Protoni, Neutroni
L’Elettrone: una particella davvero elementare
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Parmenides (circa 500 AC), Zenon (circa 490 – 430 AC): l’esperienza della molteplicità è negabile.La materia è divisibile e suddivisa all’infinito. La divisione infinita della estensione fornisce come risultato zero, il niente, e quindi la molteplicità in cui consiste l’estensione corporea non esiste, è opinione illusoria.
Demokritos (circa 460 – 370 AC): l’esperienza della molteplicità è innegabileLa materia è suddivisa ma non all’infinito.A-tomos, indivisibile. Venne introdotto per fermare il processo di “riduzione al nulla” dell’estensione spaziale (Parmenide, Zenone).L’atomo è il punto in cui tale processo si ferma.Il senso in cui tutto ciò era inteso è diverso dal senso moderno di scienza.La Fisica delle Particelle come scienza moderna inizia nel 1930 circa.
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m1410m1010
quark
quark
quark
PROTONE
A loro volta i protoni e i neutroni sono composti da:
I quark (costituenti un protone o un neutrone) sono particelle elementari
Le particelle “elementari” sono quelle che costituiscono tutte le altre e che non hanno una loro struttura interna.
Sono i mattoni costruttivi dell’Universo
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Costituenti fondamentali della materia: Quark e Leptoni
Hanno spin e carica ben definiti
Sono elementari al meglio di 10-18 m
Costituiscono la materia in condizioni ordinarie
Costituiscono le particelle instabili
Massa
Materia ordinaria
Decadono in particelle stabili
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Come si studiano le particelle elementari? Ad esempio in esperimenti con acceleratori di particelle.
Tunnel di LHC, CERN (Ginevra)
Ricetta:
• prendere particelle cariche
• accelerarle con sistemi elettrici e magnetici (acceleratori)
• farle urtare tra loro
Nei grandi laboratori sistemi complessi di acceleratori portano particelle a energie elevatissime
Negli urti tra queste particelle, altre particelle vengono prodotte. Massa si trasforma in energia e viceversa
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Esperimenti su particelle ai grandi acceleratori:CMS al CERN di Ginevra
CDF al Fermilab (Chicago)
Sistemi complessi composti da rivelatori specializzati
ATLAS al CERN di Ginevra
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Le particelle elementari, urtandosi tra di loro, creano altre particelle
2mcE Continua trasformazione di energia in massa e viceversa
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2. Le Interazioni fondamentali
L’atomo di Idrogeno (deuterio)
),,( duup
),,( ddun
Quarks, elettroni, fotoni come particelle fondamentali nell’atomo
10-10 m
10-15 m
Quali sono le forze che tengono insieme gli atomi e i nuclei ?
I quark stanno insieme nel nucleo
Il nucleo e gli elettroni sono legati tra loro
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Le forze fondamentali in natura
Gravità
Elettromagnetismo
Forza nucleare forte
Forza nucleare debole
Idea guida: spiegare tutti i fenomeni fondamentali con queste interazioni
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In fisica quantistica
• Scambio di quanti
Il concetto di forza
In fisica classica:
• Azione istantanea a distanza• Campo (Faraday, Maxwell)
2
kF
r
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Elettromagnetismo
Responsabile del legame tra particelle cariche:ad esempio la stabilita’ atomica
Costante di accoppiamento: carica elettrica
Raggio di azione della forza: infinito
JF
0 FFF
La teoria classica: equazioni di Maxwell (1861)
F: Tensore campo elettromagneticoJ: 4-corrente
Riguarda tutte le particelle dotate di carica elettrica (quark, leptoni, W)
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Gravità
Responsabile del legame tra corpi macroscopici
G42
Potenziale gravitazionale Densita’ di massa
Tc
GgG
4
8
Tensore di Einstein Costante cosmologica Tensore Energia-Momento
)( gGG
Teoria di campo classica (Newton, 1687) per le masse.
Teoria di campo “geometrizzata” (Einstein, 1915)
Relativita’ Generale
Il principio di equivalenza tra massa inerziale e massa (carica) gravitazionale ha permesso di considerare la gravita’ come una proprieta’ del background spaziotemporale)
1000
0100
0010
0001
)( xg
Tensore Metrico
Lontano da masse/energie (spaziotempo piatto)
Riguarda tutte le forme di energia (tra cui la massa) dell’Universo
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Forza Nucleare Debole
Riguarda quark e leptoni (portatori di una “carica debole”)
Di norma il processo Debole e’ trascurabile perche’ processi Elettromagnetici e Nucleari Forti hanno il sopravvento. I processi Deboli sono invece la norma quando:• Vengono violate leggi di conservazione (conservate nelle interazioni EM o Forti)• Intervengono particelle non cariche e/o prive di Interazione Forte
Interazioni deboli a corrente carica: decadimento beta dei nuclei:
( , ) ( 1, 1) eA Z N A Z N e (a livello di nuclei)
en p e (a livello del neutrone libero)
ed u e (a livello dei costituenti fondamentali)
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La Forza Nucleare Debole ha un ruolo importante nelle reazioni di fusione che avvengono all’interno del Sole
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99,77%p + p d+ e+ +
e
0,23%p + e - + p d +
e
3He+3He+2p
3He+p+e+
+e
~210-5
%84,7%
13,8%
0,02%13,78%3He + 4He 7Be +
7Be + e- 7Li + e7Be + p 8B
+
d + p 3He +
7Li + p ->+
8B 8Be*+ e+ +e
2
Reazioni nucleari nel Sole: il ciclo pp
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Forza Nucleare Forte
Agisce tra i quark che costituiscono gli adroni
Responsabile della stabilità degli adroni (barioni, mesoni)
Mediata dai GLUONI
Si attribuisce ai quark una carica (il colore)
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PROTONE
NEUTRONE
Mediata dai GLUONI
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Le Interazioni Fondamentali
Gravità Elettromagnetismo
Debole Forte
Gravitone
Fotone W,Z 8 Gluoni
Spin 2 1 1 1
Massa 0 0 82,91 GeV 0
Range ∞ ∞ 10-18 m 10-15 m
Source Mass Electric charge
Weak charge
Color
Coupling Constant (proton)
10-39 1/137 10-5 1
1 GeV Cross Section
10-29 cm2 10-42 cm2 10-27 cm2
Lifetime for decay
10-19 s 10-8 s 10-23 s
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3. L’Universo a particelle
Lo schema con cui si descrive la nascita e l’evoluzione dell’Universo è quello delBIG BANG CALDO
La creazione di Adamo – Michelangelo Buonarroti (1511). (Musei Vaticani - La Cappella Sistina)
Planetario Milano - 20/11/2012 21Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 21
Il modello del Big Bang:
1) Il red-shift (espansione cosmica)2) La nucleosintesi primordiale3) La radiazione cosmica di fondo4) La Relatività Generale5) L’Inflazione
Osservazioni sperimentali
Teoria della Gravitazione
Se l’Universo è in espansione, nei primi istanti ci si doveva trovare in una situazione di densità altissima, temperatura altissima, energia/particella altissima
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Una storia termica dell’universo
Particelle/Antiparticelle libere
Planetario Milano - 20/11/2012 2323Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011
Una storia termica dell’universo
Particelle/Antiparticelle libere
ee
ee
pp
Queste reazioni creano e distruggono particelle/antiparticelle in ugual numero
NOee
ee
Quando l’energia scende non è più possibile creare coppie particella/antiparticella. Invece tali coppie si possono distruggere:
Planetario Milano - 20/11/2012 2424Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011
Una storia termica dell’universo
Particelle/Antiparticelle libere
Reazioni di questo tipo dovrebbero aver mantenuto uguale il numero di particelle e antiparticelle
ellaantiparticparticellaenergia
energiaellaantiparticparticella
)2
)1
Al diminuire di T solo la 1 resta possibile e tutte le particelle/antiparticelle si annichilano in energia
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Ma l’Universo non è vuoto. Contiene MATERIA e non ANTIMATERIA !
Un processo fisico ha alterato il rapporto tra materia e antimateria nei primi istanti, creando un poco (pochissimo) di materia in più
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Affinche’ sia possibile creare/distruggere particelle elementari, occorre fornire energia concentrata in dimensioni piccolissime. Questo avviene negli acceleratori di particelle terrestri. O negli acceleratori cosmici.
Acceleratore di particelle
Pulsar
Acceleratori terrestri e cosmici
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Tra gli acceleratori galattici piu’ efficienti…. I Nuclei Galattici Attivi (AGN’s)
Un AGN puo’ accelerare particelle che attraversano milioni di anni luce di spazio (che e’ quasi vuoto)
Le particelle accelerate dagli AGN possono raggiungere il Sistema Solare e la Terra.
e possono interagire nell’atmosfera.
Sono i Raggi Cosmici
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4. Modello Standard
Una discussione introduttiva
Il Modello Standard e’ una descrizione fisica delle particelle elementari e delle interazioni che avvengono tra di loro
Si tratta di una delle piu’ grandi conquiste concettuali del secolo scorso, frutto dello sforzo teorico e sperimentale di migliaia di fisici
Il Modello Standard descrive i costituenti elementari e in modo rigoroso ed essenzialmente completo (ed unificato) l’interazione elettromagnetica e debole.
In modo rigoroso ma non ancora completo anche le interazioni forti
Il Modello Standard descrive particelle che sono state tutte osservate sperimentalmente (il più recente: IL BOSONE DI HIGGS)
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Le Interazioni Fondamentali
Gravità Elettromagnetismo
Debole Forte
Gravitone
Fotone W,Z 8 Gluoni
Spin 2 1 1 1
Massa 0 0 82,91 GeV 0
Range ∞ ∞ 10-18 m 10-15 m
Source Mass Electric charge
Weak charge
Color
Coupling Constant (proton)
10-39 1/137 10-5 1
1 GeV Cross Section
10-29 cm2 10-42 cm2 10-27 cm2
Lifetime for decay
10-19 s 10-8 s 10-23 s
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Portatori di forzaCostituenti della materia
3 famiglie
Proprietà dei costituenti:
Quark:
• carica elettrica • colore• massa efficace• spin (1/2)
Leptoni:
• carica elettrica• massa• spin (1/2)
Tutti i costituenti (Quark, Leptoni) sono Fermioni.
IMPORTANTE:
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Nel Modello Standard la funzione (di Lagrange) si potrebbe scrivere come :
MLLL DEBOLEEMFORTI /
CostituentiInterazioni tra i costituenti
In questo modo le masse dei costituenti scritte in modo esplicito nella funzione di Lagrange del Modello Standard
…..MA questa Lagrangiana è non rinormalizzabile (non trattabile matematicamente) !!
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Il Meccanismo di Higgs è stato proposto per introdurre le masse dei costituenti fondamentali (e del W,Z) in modo che la teoria fosse trattabile.
)(/ hLLLL DEBOLEEMFORTI
Potenziale di Higgs
Questo termine è in grado di generare masse senza violare le proprietà di rinormalizzabilità della teoria.
Se il meccanismo di generazione delle masse è quello ipotizzato da Peter Higgs (e Brout, Englert, Kibble, Guralnik, Hagen) nel 1964, allora si deve osservare una particella a spin 0 (bosone) del tutto nuova.
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Interazioni del Bosone di Higgs con le altre particelle della teoria
La ricerca del Bosone di Higgs iniziò (al Fermilab e) al CERN negli anni ‘90
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Tutte le particelle del Modello Standard sono state osservate e tre delle quattro interazioni fondamentali vengono descritte in un quadro unificato e coerente.
La scoperta del Bosone di Higgs (2012) l’ipotesi teorica viene confermata sperimentalmente 48 anni dopo la sua formulazione !
Un successo epocale per la Fisica delle Particelle
(Giovedì, stessa ora, stesso posto. Uno dei protagonisti di questa scoperta ce la racconterà in dettaglio)
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un altro capitolo della comprensione di infinitamente piccolo e infinitamente grande
cml 1810 Mpcl 4300
st 2310 yt 9108.13
Grazie della vostra attenzione