PERCHE’ STUDIAMO LA
FISICA DELLE
PARTICELLE?
Michelangelo Mangano
Theoretical Physics Division
CERN, Geneva
Incontri LNF per gli insegnanti
2002
Programma
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Concetti fondamentali
Legame della FdP con altri rami della
Fisica
Osservabili e grandezze fondamentali
Valore didattico della FdP, e possibili
applicazioni nell’insegnamento liceale
La FdP affronta le domande
fondamentali della storia del
pensiero
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Da dove viene
l’Universo?
Come
funziona?
Dove va?
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Quali sono i
componenti ultimi
della materia?
Che cosa `li muove’?
Come `si muovono’?
Livello 0: come? cosa?
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Esistono mattoni fondamentali?
Se si’, cosa sono?
Come interagiscono?
Come determinano le proprieta’
dell’Universo?
Livello 1: perche’?
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Perche’ esistono mattoni fondamentali?
Perche’ interagiscono cosi’?
Perche’ viviamo in 3+1 dimensioni?
Esistono alternative?
…….
Perche’ `qualcosa’ invece che `niente
Risultati principali
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Semplicita’ (dei costituenti, delle
interazioni): la complessita’ emerge dalla
varieta’ delle combinazioni
Unita’ (delle leggi di interazione)
Unicita’ (degli elementi): ` a proton is a
proton is a proton’
Unicita’ (delle leggi fondamentali):
indipendenza dal luogo, tempo e
condizioni
I componenti fondamentali
protone
U
U
D
U
D
neutrone
elettrone
neutrino
D
Le interazioni (o forze)

Responsabili per:
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Stati legati (E<0):
Terra -Luna
 Elettroni-Nucleo

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Diffusione (E>0):
Moto di un elettrone in un metallo
 Propagazione della luce

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Cambiamenti di stato:

Decadimenti (n->p e neutrino)
Le interazioni fondamentali
FORZA
SENSIBILE
MEDIATORE:
A:
Elettromagnetismo
Carica
elettrica
Fotone
Forza debole
Carica
`debole’
W+ WZ0
Forza `forte’
`Colore’
gluone
Gravita’
Energia
gravitone
Ruolo della teoria della Relativita’
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Le particelle elementari hanno masse talmente
piccole che energie modeste, raggiungibili
nell‘Universo anche al di fuori dei laboratori,
possono accelerarle a velocita’ prossime a
quelle della luce. Gli effetti relativistici sono
dunque essenziali, e la descrizione dei loro
comportamenti deve essere consistente con i
principi della relativita’ speciale
In particolare, il modello delle interazioni deve
rispettare il principio che le forze non possono
trasmettersi istantaneamente a distanza
Rappresentazione delle
interazioni
t
Standard Model Interactions
nu
e
e
q
q
W
e
fotone,
Z
nu
Z
nu
q’
Fotone,
gluone, q
Z
W
Proprieta’ delle interazioni
• Localita’ (proprieta’ dell’interazione
dipendono solo dalle properieta’ dei partecipanti
in un punto)
• Causalita’ (l’effetto segue la causa, e non
puo’ manifestarsi prima del tempo impiegato
dalla luce a percorrere la distanza fra effetto e
causa)
• Universalita’ (l’interazione fra due particelle
fattorizza in termini delle proprieta’ indipendenti
delle singole particelle)
Esempi di
processi
Decadiment
o
del neutrone
Decadimento
del leptone mu
P’
Ruolo della meccanica quantistica I
q
P
Se P0=mc, e visto che P0’≥mc e q0>0
P0 < P0’+q0
L’energia non puo’ essere conservata in una transizione di
questo tipo! Solo la meccanica quantistica puo’ permetterla,
imponendo una durata massima
a questo stato in accordo con
il principio di indeterminazione:
∆E ∆t > h/2π
Ruolo della meccanica quantistica II
P’
q
P
In alternativa,
P=P’+q
e
=>
P2 = P’ 2 = m2
q2<0
Stati con q2<0 si chiamano virtuali. La loro
esistenza e’ limitata a tempi consistenti con il
principio di Indeterminazione.
La relativita’ speciale fa si’ che stati virtuali abbiano E>0 o E<0 a
seconda
del sistema di riferimento. L’esistenza di stati con E<0 conduce
all’introduzione di antiparticelle.
L’esistenza di antiparticelle (per es. e+) e` cruciale nella
realizzazione degli esperimenti di FdP moderni!
Ruolo della meccanica quantistica III
e
e
mu
L’universalita’ degli
accoppiamenti impedisce
di predirre con certezza il
risultato di una reazione.
mu
q
q
Diversi stati finali sono
possibili, ed appaiono con
probabilita’ relative
calcolabili secondo le leggi
della meccanica
quantistica
Ruolo della FdP in
Cosmologia
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L’universalita’ delle leggi
di interazione
(indipendenza da luogo e
tempo) di permette di
estrapolare indietro (ed
avanti) nel tempo
E’ cosi’ possibilie
ricostruire gli eventi della
storia dell’Universo fino a
tempi dell’ordine di 10-10
sec dopo il Big Bang
Come si impara qualcosa da
immagini come questa?
Osservabili e grandezze
fondamentali
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Massa:
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Carica:
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Oggetti composti -> orgine dinamica, calcolabile
Oggetti fondamentali -> origine ???
Misura: in decadimenti: P=∑ pi , M2=P2
Ci che tipo (elettrica, debole, forte)?
Altre??? Origine???
Misura: intensita’ dell’interazione
Spin (momento angolare intrinsico):
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Intero -> bosoni, Semiintero -> fermioni
Assieme al principio di indeterminazione =>stabilita’ della
materia!!!
Origine ???
Misura : distribuzioni angolari in processi di diffusione o
decadimento
Questioni legate alle grandezze fondamentali
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Meccanica Quantistica e Relativita’ ordinano che
queste e solo queste siano le proprieta’
fondamentali di particelle puntiformi. Ma non ne
determinano in modo univoco i valori
Principi di simmetria stabiliscono dei vincoli:
Conservazione della carica => M(fotone)=0
 Conservazione della chiralita’ => M(neutrino)=0
Ma a volte le simmetrie sono rotte, ed i vincoli persi
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Le difficolta’ della ricerca
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Identificare le domande rilevanti
Capire se queste ammettono risposta
Identificare gli strumenti matematici in grado di
fornire la risposta
Confrontare con il compito assegnato ad uno
studente a scuola:
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
Il problema gli viene assegnato dall’insegnante
Sa che e’ risolvibile ….
…. usando gli strumenti dell’ultima lezione!
Esempi di questioni aperte
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Perche’ m(top) ~ 108 m(e)?
Perche’ m(neutrino) ~ 10-9 m(e)?
Qual’e` la vera origine della massa?
Perche’ 3 famiglie di quarks e leptoni?
Perche’ Fgravita ~ 10-40 Felettrica ?
Sono le particelle veramente puntiformi?
Stringhe?? Membrane?
Perche’ D=3+1?
E’ la gravita’ consistente con la MQ?
Come e’ veramente avvenuto il Big Bang?
Insegnanti al CERN
http://teachers.cern.ch/
La fisica classica si puo’
insegnare anche cosi’ ??
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Moto di particelle in
campi magnetici
Leggi di
conservazione dell’
impulso
Leggi di
conservazione della
carica
….
FINALE
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Se avete capito tutto, forse non avete
bisogno di restare fino a mercoledi’
Senno’, le lezioni che seguiranno
esploreranno in dettaglio tutti gli aspetti (e
piu’) che ho introdotto
Conclusioni?
A MERCOLEDI’ SERA!!
P.S. Perche’ facciamo la
fisica delle particelle?
Perche’ ci si diverte
come matti!!