Il Modello Standard delle Particelle e delle Interazioni

Il Modello Standard delle Particelle e delle Interazioni Marina Cobal 25 Novembre 2004

Di cosa e’ fatto il mondo? • Anticamente: 4 elementi • 19 mo secolo – atomi • Inizio 20 mo secolo – electroni, protoni, neutroni • Oggi – quark and leptoni

L’ atomo nel 1900. . . • Gli atomi interagiscono attraverso reazioni chimiche • Piu’ di 100 atomi conosciuti (H, He, Fe …) • La struttura interna non era conosciuta – ma si sapeva di una craica elettrica interna

Tavola Periodica • Gli elementi sono raggruppati in famiglie con proprieta’ simili (Gas inerti: He, Ne etc. ). Si arriva alla tavola periodica • Questo suggerisce una struttura con elementi costituenti piu’ semplici

Modello per l’atomo • Con gli esperimenti si riesce a “spaccare” gli atomi • Particelle leggere a carica negativa (elettroni) intorno ad un nucleo positivo e pesante • L’ atomo e’ praticamente vuoto

Il nucleo • Il nucleo e’ piccolo e denso. Per un po’ si penso’ che fosse puntiforme • Ma vi erano tanti nuclei diversi quanti erano gli atomi • Semplificazione – tutti i nuclei sono fatti di protoni carichi e neutroni neutri.

Quarks • Adesso sappiamo che anche protoni e neutroni non sono unita’ fondamentali • Sono composti da particelle piu’ piccole dette quarks • Per il momento questi quarks sembrano essere puntiformi

L’ atomo moderno • Una nuvola di elettroni in moto costante intorno al nucleo • Protoni e neutroni in moto nel nucleo • Quarks in moto nei protoni e nei neutroni

Dimensioni (sub)-atomiche • Il nucleo e’ 10, 000 volte piu’ piccolo dell’atomo • Il protone ed il neutrone sono 10 volte piu’ piccoli del nucleo • Non ci sono evidenze che i quarks abbiano dimensione ….

Nuove Particelle • Collisions of electrons and nucleii in cosmic rays and particle accelerators beginning in the 1930’s led to the discovery of many new particles • Some were predicted but many others came as surprises • Muon like a heavy electron: ‘Who ordered that? ’ • At first, all of them were thought to be fundamental

All’inizio erano poche… E molte piu’….

Introducendo i quarks. . La mia tesi di Dottorato!! Supervisori: H. Grassmann, G. Bellettini

Cosa e’ fondamentale? • I fisici hanno trovato centinaia di nuove particelle • Oggi sappiamo che la maggior parte non sono fondamentali • Abbiamo sviluppato una teoria, detta Modello Standard, che sembra spiegare bene quello che osserviamo in natura • Questo modello include 6 quarks, 6 leptoni e 13 particelle che trasportano le forze tra quarks e leptoni

Di cosa e’ fatto il mondo? • Il mondo reale non e’ composto da singoli quarks • I quarks esistono solo in gruppi, a formare I cosiddetti adroni (protoni e neutroni sono adroni) • Esempio: un protone e’ composto da 2 quark di tipo up e da un quark di tipo down • La materia che ci circonda – e noi stessi – e’ composta da quark up e down e da elettroni

Famiglie • I 6 quarks ed I 6 leptoni sono organizzati in famiglie • Le 3 famiglie presentano analogie • Perche’ servono una seconda ed una terza generazione? • I quarks hanno carica frazionaria (+2/3 e -1/3). I leptoni hanno carica -1 o 0

Ed i leptoni? • Ci sono 6 leptoni, 3 carichi e 3 neutri • Appaiono essere particelle puntiformi senza una struttura interna. • Gli elettroni sono i piu’ comuni e sono quelli che si trovano nella materia ordinaria. • Muoni (m) e taus (t) sono piu’ pesanti e carichi come l’elettrone. • I neutrini non hanno carica, ed hanno una massa estremamente piccola.

Materia ed Antimateria • Per ogni particella trovata, esiste una corrispondente particella di antimateria, o antiparticella. • Queste particelle appaiono come le loro sorelle di materia, ma hanno carica opposta. • Le particelle sono create o distrutte in coppia.

Quattro Forze • Ci sono 4 interazioni fondamentali in natura • Tutte le forse possono essere attribuite a queste interazioni • La gravita’ e’ attrattiva, le altre possono essere repulsive • Le interazioni sono anche responsabili decadimenti

Come interagiscono le particelle? • Gli oggetti possono interagire senza toccarsi • Come esercitano la loro attrazione – repulsione i magneti? • Come il Sole attrae la Terra? • Una forza e’ qualcosa che si comunica tra gli oggetti

Elettromagnetismo • Le forze elettromagnetiche fanno si che cariche opposte si attraggano e cariche uguali si respingano • Il portatore della forza e’ il fotone (g) • Il fotone e’ senza massa e si propaga alla velocita’ della luce

E-M residua • Normalmente gli atomi sono neutri avendo lo stesso numero di protoni e neutroni • La parte carica di un atomo puo’ attrarre la parte carica di un altro atomo • Gli atomi si possono cosi’ legare in molecole.

Perche’ un nucleo non esplode? • Un nucleo pesante contiene molti protoni, tutti con carica positiva • Questi si respingono • Perche’ allora il nucleo non esplode?

Forza Forte • In aggiunta alla carica elettrica, i quarks portano anche un nuovo tipo di carica, detta “carica di colore” • La forza tra le particelle che hanno carica di colore e’ detta forza forte

Il Gluone • La forza forte tiene insieme i quarks a formare gli adroni. I portatori della forza forte sono i gluoni: ci sono 8 diversi gluoni • La forza forte agisce solo su corte distanze

Colore e Anti-colore • Ci sono 3 cariche di colore e 3 cariche di anti-colore • Notare che questi colori non hanno niente a che fare con il colore e con la luce visibile. . e’ solo un modo di descrivere la fisica

Quark colorati e gluoni • Ogni quark ha una delle 3 cariche di colore ed ogni antiquark ha una delle 3 cariche di anti-colore • Barioni e mesoni sono neutri in colore

Confinamento dei quarks • La forza di colore diventa piu’ forte a grandi distanze • Le particelle con carica di colore non possono esistere isolate • I quarks sono confinati con altri quarks a formare gli adroni • I composto sono neutri in colore

I quarks emettono gluoni • Quando un quark emette o assorbe un gluone, il colore del quark cambia affinche’ la carica di colore si conservi • Un quark rosso emette un gluone rosso/antiblu e diventa blu

Forza forte residua • La forza forte tra i quarks in un protone ed i quarks in un altro protone e’ abbastanza intensa da superare la forza di repulsione elettromagnetica.

Forza debole • Le interazioni deboli sono responsabili del decadimento dei quarks e dei leptoni pesanti in quarks e leptoni piu’ leggeri • Esempio: il neutrone decade in protone+elettrone+neutrino • Questo spiega perche’ tutta la materia e’ composta dai leptoni e quarks piu’ leggeri

Forza elettrodebole • Nel Modello Standard la forza elettromagnetica e quela debole sono state unificate in una unica forza eletro-debole • A distanza molto piccole (~10 -18 meters), le interazioni deboli ed elettromagnetiche hanno la stessa intensita’ • I portatori della forza sono, fotoni, W e Z.

E la gravita’? • La gravita’ e’ molto debole • E’ importante a distanze macroscopiche • Il portatore della forza gravitazionale, il gravitone, e’ predetto dalla teoria ma non e’ mai stato osservato

Riassunto delle interazioni

Quanto Meccanica • Il comportamento di atomi e particelle e’ descritto dalla Meccanica Quantistica • Certe proprieta’, come l’energia, possono avere solo certi valori discreti, non sono un continuo • Le proprieta’ della particella sono descritte da questi valori (numeri quantici) come: – – Carica Elettrica Carica di colore Sapore Spin

Il principio di esclusione di Pauli • Possiamo usare le proprieta’ quantistiche delle particelle per classificarle. • Alcune particelle, dette Fermioni, obbediscono al principio di Esclusione di Pauli, mentre altre – i bosoni – no.

Fermioni e Bosoni

Che cosa tiene il mondo insieme? • Abbiamo imparato che il mondo e’ fatto da 6 quarks e 6 leptoni • Tutto quello che vediamo e’ un agglomerato di quarks e leptoni. Cosa li tiene insieme? • Ci sono quattro forze diverse, caratterizzate da diversi portatori.

Il nucleo instabile • Abbiamo visto che le forze forti tengono il nucleo insieme contrapponendosi alle forze di repulsione tra i protoni • Tuttavia non tutti i nuclei sono stabili • Alcuni decadono

Decadimento nucleare • Il nucleo puo’ scindersi in nuclei piu’ piccoli • E’ come se dal nucleo saltassero fuori dei suoi pezzi piu’ piccoli • Questo succede per esempio in un reattore nucleare

Decadimento del muone • E’ un esempio del decadimento di una particella • Qui le particelle prodotte non sono “pezzi” della particella iniziale, ma sono altre particelle completamente nuove.

Massa mancante • Nella maggior parte dei decadimenti, le particelle od il nucleo che rimangono hanno una massa totale minore della massa della particella o del nucleo originario. • La massa mancante si e’ trasformata in energia cinetica dei prodotti di decadimento

Mediatori del decadimento • Quando una particella decade, si trasforma in una particella piu’ leggera ed in una particella portatrice delle forze (il bosone W) • Una particella decade se la sua massa totale e’ maggiore della somma delle masse dei prodotti di decadimento e se c’e’ una forza che media il decadimento

Particelle Virtuali • Particles decay via force-carrier particles • In some cases, a particle may decay via a force-carrier that is more massive than the initial particle • The force-carrier particle is immediately transformed into lower-mass particles • The short-lived massive particle appears to violate the law of energy conservation

Annichilazione • Non sono decadimenti ma avvengono ugualmente grazie a particelle virtuali • L’annichilazione di quarks leggeri ad energie elevate puo’ portare alla produzione di quarks pesanti nel laboratorio

Annichilazione dell’antiprotone • Questa camera a bolle mostra un antiprotone che urta contro un protone, annichilando e producendo 8 pioni. Uno dei pioni decade poi in un muone ed un neutrino (che non lascia nessuna traccia)

Decadimento beta del neutrone

Annichilazione elettrone-positrone

Produzione di top

Misteri e Fallimenti • Il Modello Standard e’ una teoria dell’ universo • Da una buona descrizione dei fenomeni che osserviamo sperimentalmente • Sotto molti aspetti e’ incompleto: perche’ ci sono 3 generazioni? Che cosa e’ la materia oscura?

E’ sbagliato il Modello Standard? • Dobbiamo adesso andare oltre il Mdello Standard, proprio come Einstein ha esteso le leggi della meccanica di Newton con la Teoria della Relativita’. • Dobbiamo farlo per spiegare le masse, la gravita’ etc…

Tre famiglie • Ci sono 3 famiglie di particelle fondamentali • Perche’ sono 3? • E perche’ ne vediamo solo una nel mondo reale?

E cosa si puo’ dire sulle masse? • Il Modello Standard non puo’ spiegare perche’ una particella ha una certa massa • I fisici hanno teorizzato l’esistenza di un nuovo campo, detto di Higgs, che interagisce con le altre particelle per dare loro la massa. • Per adesso l’Higgs non e’ stato psservato sperimentalmente.

Teoria di Grande Unificazione • Si crede che una GUT unifichera’ le forze forte, debole ed elettromagnetica • Queste 3 forse saranno allora visibili come manifestazioni diverse – a bassa energia – di una stessa forza • Le 3 forze si unirebbero ad una energuia alquanto elevata.

Supersimmetria • Alcuni fisici, nel tentativo di unificare la gravita’ con le altre forze fondamentali, hanno suggerito che ogni particella fondamentale dovrebbe avere una particella “ombra” (shadow). Sono piu’ di 20 anni che cerchiamo queste particelle supersimmetriche

• La fisica di oggi ha teorie per la meccanica quantististica, per la relativita’ e per la gravita’, ma queste teorie sono separate. • Se vivessimo in un mondo con piu’ di 3 dimensioni spaziali forse si potrebbe superare questo problema. • La teoria delle stringhe suggerisce che in un mondo in cui ci sono le 3 dimensioni standard, e qualche dimensione addizionale purche’ piccola, le particelle sono stringhe

Extra Dimensioni • La Teoria delle stringhe richiede piu’ delle 3 dimensioni • Queste extra dimensioni possono essere cosi’ piccole che non le possiamo vedere • Gli esperimenti adesso cercano evidenze per queste extra dimensioni

Materia Oscura • Sembra che l’Universo non sia fatto della stessa materia come il nostro Sole e le stelle • La materia oscura esercita una attrazione gravitazionale sulla materia, ma non e’ stata ancora rivelata.

L’ Universo in accelerazione • Esperimenti recenti che utilizzano Supernovae di Tipo Ia hanno mostrato che l’ Universo si sta ancora espandendo e che il rate di espansione sta aumentando • Questa accelerazione deve essere guidata da un nuovo meccanismo che e’ stato chiamato energia oscura.

L’Universo in espansione • Gli studi sulla piu’ lontana Supernova indicano che l’ Universo ha attraversato una fase di rallentamento dell’ espansione • Attualmente l’ Universo sta accelerando.

Conclusioni • Il Modello Standard e’ una potente sintesi che spiega un gran numero di osservazioni sperimentali. Rappresenta per la fisica quello che la biologia e’ per l’evoluzione • Ci sono ancora molte domande aperte. La teoria delle stringhe per adesso NON da nessuna risposta!

E se vi interessa. . • Venite a trovarci al Dipartimento di Fisica dell’ Universita’ di Udine! • Un grazie alla Prof. Michelini e a: CIRD (Centro Interdipartimentale Ricerca Didattica) URDF (Unita’ di Ricerca Didattica della Fisica) CLDF (Centro Laboratorio Didattica della Fisica)