LE QUATTRO FORZE FONDAMENTALI La forza nucleare debole

LE QUATTRO FORZE FONDAMENTALI La forza nucleare debole Alunni: Alice, Matteo e Debora Classe 1 C Alberghiero – Porto Sant’Elpidio (FM) Tutor: prof. Pierluigi Stroppa

Obiettivi di conoscenza e competenza • Conoscere le 4 forze fondamentali • Sapere a che serve l’acceleratore di Ginevra • Approfondire la conoscenza della forza nucleare debole • Sapere che con gli esperimenti si possono creare nuove particelle • Sapere la struttura dell’atomo e delle particelle che lo costituiscono • Conoscere i diversi tipi di quark che costituiscono i nucleoni • Sapere che all’LHC (Large Hadron Collider) di Ginevra si possono creare nuove particelle che potrebbero spiegare (in parte) l’origine della materia oscura

Obiettivi di abilità • Collegare una forza fondamentale ai fenomeni macroscopici che provoca • Costruire un modello per rappresentare l’interno dell’atomo • Evidenziare il legame tra la radioattività, la fusione termonucleare e la forza nucleare debole • Saper organizzare una videopresentazione per un convegno

Metodologia • Lezioni frontali partecipate con uso di campioni • Lavori di gruppo, role playing • Ricerche bibliografiche e navigazione in rete • Invito alla produzione di videopresentazioni

Mezzi e strumenti • Libri di testo e riviste scientifiche • Laboratorio scientifico • Personal computer e videoproiettore • Macchina fotografica digitale e videocamera • Lavagne d’ardesia, magnetica e luminosa • Minerali, calamite, bussole • Modelli e poster

Gli Acceleratori di particelle: lineari e circolari Esistono due tipi di acceleratori: l’acceleratore lineare più famoso è SLAC-Stanford, California Acc. Lineare - 3 km L’acceleratore circolare più famoso è CERN, Ginevra, Svizzera Acc. Circolare LEP/LHC 27 km.

Funzionamento dell’LHC Un acceleratore di particelle è in pratica un “super microscopio”. I fasci di protoni si incrociano 40 milioni di volte al secondo. A ogni incrocio, avvengono in media 20 collisioni protone per un totale di 800 milioni di collisioni per secondo. Ci si aspetta di vedere il bosone di Higgs una volta ogni 10000000 di collisioni, quindi non più di una volta al giorno.

Rivelatori di particelle Nell’acceleratore ci sono rivelatori di particelle, questi sostituiscono l’occhio umano, per “vedere” particelle e radiazioni di alta energia. Sono anche loro sistemi grandi e complessi, dotati di elettronica ottica e meccanica di precisione e di migliaia di computer.

Obiettivi dell’LHC Atlas e Cms hanno come scopo principale la verifica dell’esistenza del bosone di Higgs, grazie all’enorme energia con cui fa scontrare fra loro gruppi di protoni, il bosone di Higgs, la particella in grado di spiegare come mai esiste la massa. Ci si aspetta di vedere il bosone di Higgs una volta ogni 10. 000 di collisioni, quindi non più di una volta al giorno. Alice: i fisici osserveranno un plasma di quark e gluoni, cioè uno strato della materia esistito subito dopo il Big Bang.

La forza nucleare debole Ø È responsabile della radioattività e della fusione termonucleare, in quanto causa la trasformazione dei protoni in neutroni e viceversa; Ø agisce sulle particelle subatomiche (protoni e neutroni); Ø non agisce sui fotoni e sui gravitoni; Ø nel 1967 la FND fu unificata con la FEM.

L’atipicità della forza nucleare debole Ogni tipo di interazione ha un ruolo preciso nell’economia dell’Universo, ma le interazioni deboli sono molto diverse dalle altre. Infatti, mentre gli altri tipi di interazioni, cioè le gravitazionali, le elettromagnetiche e le forti, si manifestano soprattutto come forze di attrazione e repulsione tra le particelle, la specialità delle interazioni deboli è quella di trasformare una particella in un’altra. Nel dicembre del 1933 apparve su “la ricerca scientifica”, la rivista del Consiglio Nazionale delle Ricerche, un articolo di Enrico Fermi dal titolo “tentativo di una teoria dell’emissione dei raggi beta”.

La fusione termonucleare Il disegno è uno schema semplificato di quello che avviene nella fusione termonucleare; in realtà lo schema è più complesso (vedi slide successiva) Tratta dal quaderno di Irina, in www. pierluigistroppa. altervista. org

La fusione termonucleare è la reazione nucleare che avviene nel sole e nelle altre stelle, con produzione di una enorme quantità di energia. Nella reazione di fusione nuclei di elementi leggeri, quali l’idrogeno, a temperature e pressioni elevate, fondono formando nuclei di elementi più pesanti come l’elio.

Gli isotopi dell’idrogeno Gli isotopi sono atomi di uno stesso elemento che contengono lo stesso numero di protoni ma diverso numero di neutroni. Sono noti tre isotopi dell’idrogeno: l’idrogeno propriamente detto (H), il deuterio (D) e il trizio (T). Il nucleo di tutti e tre contiene un protone, il che li caratterizza come forme dell’elemento idrogeno; il nucleo di deuterio contiene inoltre un neutrone mentre quello del trizio due neutroni.

La radioattività Il flusso di calore interno terrestre (FCIT) è causato dal fenomeno della radioattività L’uranio-235 ogni 713 milioni di anni (tempo di dimezzamento) si trasforma in piombo-207 determinando un avanzo di massa (Δm) pari a 28 unità di massa atomica (28 uma). A causa della formula di Einstein ΔE = Δm. c 2(come nella fusione termonucleare) l’avanzo di massa (Δm) si trasforma in ΔE sviluppando calore. Tratta da A. Zullini e U. Scaioni “scienze della terra”

Schema semplificato Tratta da A. Zullini e U. Scaioni “scienze della terra”

Schema più complesso Tratta da wikipedia

Applicazioni nella medicina Per la ricerca applicata è anche prevista la messa in funzione di un acceleratore di protoni di alta intensità e bassa energia con cui realizzare fasci di neutroni. Irraggiando un bersaglio di berillio o di litio si produrranno fino a 100 mila miliardi di neutroni al secondo, che saranno utilizzati per studi applicativi nel campo dei materiali, dell’astrofisica e della medicina. Il metodo è basato sulla capacità del boro di catturare neutroni termici e decadere in un nucleo di litio e uno di elio. L’irraggiamento del paziente con neutroni termici provoca la rottura del Boro-10 che si comporta come una “microbomba”, distruggendo in modo selettivo solo le cellule tumorali.

La Bnct (Boron Neutron Capture Theraphy) è una terapia per la cura dei tumori diffusi. Questa tecnica fa uso di neutroni “termalizzati” che nel nostro caso avranno un flusso di un miliardo di neutroni al secondo per centimetro quadrato.

Antimateria al lavoro per la salute Il grande successo è dovuto alle alte potenzialità di questa tecnica nell’ identificazione dei tumori e delle metastasi all’interno del corpo umano, mediante il radiotracciante FFDG (F-Fluoro. Desossi. Glucosio). Il F-FDG segue il percorso del glucosio all’interno del corpo umano, quindi si accumula nelle cellule a più elevato metabolismo, come le cellule tumorali. Questo permette di ricostruire un’immagine quantitativa e tridimensionale delle zone tumorali, che offre la possibilità di una diagnosi oncologica più accurata e di elevato valore prognostico.

La materia oscura e le lenti gravitazionali Le lenti gravitazionali sono fenomeni che indicano la presenza di masse che non vediamo: è grazie al piegamento della loro luce emessa (fenomeno previsto da Albert Einstein) che riusciamo ad individuarle.

L’alone di materia oscura della Via Lattea Gli scienziati ipotizzano che intorno la materia visibile della nostra galassia ci sia un alone di materia oscura A lato si vede che la materia oscura piega la luce di lontane galassie facendola giungere a noi grazie al fenomeno delle lenti gravitazionali

La materia oscura e le lenti gravitazionali All’LHC di Ginevra stanno tentando di capire da cosa è costituita la materia oscura. Gli scienziati ipotizzano che essa sia costituita in parte da stelle fredde e quindi poco luminose (nane grigie) e in parte da particelle ancora da scoprire.

IL MISTERO DEI NEUTRINI Seconda la teoria del Modello Standard delle particelle, i neutrini sono particelle elementari con carica elettrica nulla e massa zero. Esperimenti recenti dimostrerebbero invece che i neutrini sono dotati di una massa, se pure piccolissima. La massa del neutrino elettronico sarebbe almeno 250. 000 volte più piccola di quella dell’elettrone.

Conclusions The universe composition Today we know just 4. 6% of the universe composition. We know that the dark matter exists but not directly; as the universe is still expanding (against the Newton’s gravity force) we can suppose that some forms of dark energy exist. Clil – The Universe: birth and evolution

The shape of the universe THE SHAPE OF THE UNIVERSE The point where three different coloured lines meet represents the big bang event Big Freeze or Big Rip DISTANCE BETWEEN THE GALAXIES OPEN FLAT Big freeze CLOSED NOW TIME Clil – The Universe: birth and evolution Big Crunch

The shape of the universe THE SHAPE OF THE UNIVERSE In this picture you can have an idea about the different shapes of the universe The open universe is similar to an horse saddle The flat it looks like a carpet The closed universe it looks like the upper part of a parachute Clil – The Universe: birth and evolution

Conclusions The dark matter How can we demonstrate that the dark matter exists? Scientists have noted that the speed of the stars on the border of the Milky Way (our galaxy) is higher than the supposed one. This means that some matter exists there! Clil – The Universe: birth and evolution

Conclusions The destiny and the shape of the universe depend not only on the density of the visible matter, but also on the so called “dark matter”, the one we can’t see yet. In addition we have to consider the dark energy that represents the counterpart of Newton’s gravity. In fact it is repulsive, not attracting. In Gran Sasso lab and in the LHC of Geneva they are trying to calculate how much dark matter and how much dark energy there are in the universe. Clil – The Universe: birth and evolution

BIBLIOGRAFIA • • • • Nicola Dallaporta (1986), “sguardo sull’attuale cosmologia” ed. Borla Franc Wilczek (2010), “la leggerezza dell’essere. La massa, l’etere e l’unificazione delle forze” ed. Mondadori Ippolita Martellotta & Rosa Anna Rizzo (2009): “English for Science, facing the future” lingue Zanichelli Aldo Conti & Lino Miramonti “una particella molto sfuggente”, in quark album cacciatori di neutrini. A cura dell’INFN Antonio Masiero & Massimo Pietroni “Il lato oscuro dell’Universo” in “La materia oscura” collana “asimmetrie” anno 2 n° 4 -giugno 2007. A cura dell’INFN Angela Bracco “Al cuore della materia” in “Nuclei e stelle” collana “asimmetrie” anno 4 n° 9 settembre 2009. A cura dell’INFN Alberto Del Guerra “Antimateria al lavoro per la salute” in “antimateria” collana “asimmetrie” anno 3 n° 7 -ottobre 2008. A cura dell’INFN Nicola Cabibbo “Le interazioni deboli” in “la lunga caccia al neutrino” collana “asimmetrie” anno 2 n° 3 - dicembre 2006. A cura dell’INFN A. Zullini e U. Scaioni “scienze della terra”, edizioni ATLAS Poster INFN 1951 -2001, “ 50 anni di ricerca italiana alla frontiera della scienza e della tecnologia” Autori vari “fisica, gli scienziati delle forze fondamentali e il loro istituto” Stephen Hawking, 1988, “A brief history of time, from the Big Bang to Black Holes” F. Bagatti & alii (2. 000) “elementi di chimica, sezione C: dalla struttura dell’atomo ai legami chimici”. Luca Novelli (2007), “Einstein e le macchine del tempo”, in lampi di genio, ed. scienza.

SITOGRAFIA • • • www. wikipedia www. pierluigistroppa. altervista. org www. infn. it www. asimmetrie. it www. cern