Fisica delle particelle e Modello Standard
• Cosa studia?
La fisica delle particelle affronta le domande che gli
scienziati si sono posti, e si pongono tuttora, sui
componenti base della materia.
Si occupa dell’infinitamente piccolo.
Guarda ai componenti subatomici della
materia e li utilizza per comprendere le
origini del nostro Universo e per capire cosa
accade tuttora al suo interno.
Come è nato il mondo? Di cosa è fatto?
L’uomo sin dall’antichità si chiede di cosa fosse fatta la materia.
Le idee erano diverse.
Terra, acqua, aria e fuoco.
Atomi ( Democrito)
Ma il modello atomico emerge soltanto nel XIX secolo.
Ci si chiese allora : Come è fatto l’atomo? Di cosa è fatto?
Alla fine dell’800’ furono scoperti gli elettroni, cariche
negative che ruotavano attorno ad un nucleo neutro.
Inizialmente, invece…
Successivamente fu ipotizzato
un “modello solare”.
• La meccanica quantistica si
basa principalmente su :
Fu Bohr a porre le basi per la
meccanica quantistica.
“Il buon senso affinato con
l’esperienza sensoriale non
rivela la struttura profonda
dell’universo”
Si pone, quindi, in
contrasto con la fisica
classica.
- Quantizzazione dell’energia
L’energia elettromagnetica è emessa e assorbita in
quantità stabilite.
- Principio di indeterminazione ( Heisenberg )
Non è possibile stabilire la posizione e la velocità di una
particella. L’osservazione perturba sempre lo stato di
un sistema. Possiamo calcolare soltanto la probabilità.
- Dualismo onda-corpuscolo.
Nella prima immagine è possibile captare la forma,
ma non la velocità.
Nella seconda avviene esattamente il contrario.
La quantizzazione è una conseguenza.
Se gli elettroni potevano stare ovunque, con le loro orbite,
lo spettro radiale sarebbe dovuto essere continuo.
Linee spettrali nel
visibile dell’Elio
A partire dagli anni 20 ci furono
numerose scoperte.
All’interno dell’atomo erano presenti dei
nuclei, formati da due cariche opposte. Gli
elettroni ( con carica negativa ) e i protoni
( con carica positiva )
Ma come è tenuto insieme il nucleo?
Gli atomi non hanno carica.
Per questo, a tenerli insieme, sono le
componenti cariche di uno che si uniscono alle
componenti cariche di un altro atomo.
I nuclei, invece, sono tenuti insieme dalla forza
nucleare forte.
Si tratta di una delle quattro forze
fondamentali, ed una delle tre che il modello
standard prende in considerazione.
- F. nucleare forte (tra quark e gluoni)
- F. debole (decadimenti degli atomi)
- F. elettromagnetica (tra atomi e molecole)
- F. gravitazionale (che non rientra nel modello
standard perché si applica solo a grandi masse)
In particolare la forza debole ed
elettromagnetica(Maxwell)vengono unificate
nella forza
elettrodebole.
Negli anni 60 si scoprì che i
protoni ed i neutroni erano
composti a loro volta da QUARK.
Particolare attenzione è
quindi dedicata ai BOSONI, i
mediatori per eccellenza.
Questi interagiscono tra loro
scambiandosi “mediatori di forze
deboli”, ovvero i BOSONI.
I quark che formano i protoni ed i
neutroni sono gli UP ed i DOWN.
I protoni hanno uno schema
UUD.
I neutroni UDD.
Sono quindi BARIONI, ovvero
composti da tre quark.
Il modello standard si occupa
proprio delle particelle e delle
loro interazioni.
Decadono, si annichilano e
reagiscono alle forze legate alla
presenza di altre particelle.
Si dividono in bosoni
vettoriali e bosoni di Gauge->
- fotoni (interazione
elettromagnetica)
- gluoni (interazione forte, tra
quark)
- Bosoni W+ W- Z (interazione
debole)
Furono scoperti nel 1983-84 da Carlo Rubbia.
Di cosa è fatta la
materia?
Da FERMIONI (con spin ½)
i fermioni principali sono raggruppati in tre famiglie, in ciascuna delle quali compaiono solo
alcuni tipi di quark e di leptoni :
prima famiglia composta dai quark e dai leptoni di massa minore, contiene i due quark up e
down, l'elettrone, il suo neutrino, e le relative antiparticelle;
seconda famiglia contiene i quark charm e strange, il muone e il neutrino muonico, con le
rispettive antiparticelle, tutti elementi non presenti nella materia ordinaria, ma ottenuti
mediante reazioni indotte nei più potenti acceleratori di particelle;
terza famiglia contiene i quark top e bottom, la particella tau e il neutrino tauonico, con le
rispettive antiparticelle, anch’essi elementi non appartenenti alla materia ordinaria.
I fermioni sono soggetti al principio di
esclusione di Pauli. ( lo spin è ½ o multipli )
I bosoni, invece, hanno spin intero, per cui
non sono coinvolti nel principio.
Sono i responsabili anche della nostra stessa vita, in quanto si occupano
dell’aggregazione di materia.
I bosoni si suddividono in quattro categorie :
prima categoria : gli 8 gluoni che mediano l'interazione nucleare forte
studiata nella teoria della cromodinamica quantistica (QCD);
seconda categoria : il gravitone, che i fisici ritengono responsabile della
mediazione della forza gravitazionale, sebbene la sua esistenza non sia
stata ancora confermata sperimentalmente;
terza categoria : i fotoni, che mediano l'interazione elettromagnetica;
quarta categoria : le particelle W e Z che trasportano la forza nucleare
debole, della quale, insieme alla forza elettromagnetica, si occupa la teoria
elettrodebole, che richiede l’introduzione dell’ipotesi della particella di
Higgs, ossia il bosone mediatore di tale interazione.
Nel campo di Higgs (scalare) dovrebbero avvenire diverse interazioni con
diverse intensità che provocano la rottura spontanea della forza
elettrodebole.
Il famoso “bosone di Higgs” dovrebbe fornire massa alle particelle. Il
bosone Z ha massa, infatti, mentre il fotone no poiché si muove alla
velocità della luce.
In particolare il bosone Z è responsabile
della diffusione neutrino-elettrone. Dove
per diffusione intendiamo il processo in
cui una delle due particelle cambia
direzione e converte la sua energia
cinetica in una coppia particellaantiparticella e quanti γ.
Le cariche elettriche sono sorgenti di
pacchetti di energia.
• La diffusione e
l’annichilamento sono
dovute alla forza
elettromagnetica che
deriva dallo scambio di
questo fotone
“virtuale”
I bosoni W+ e W- sono invece
emessi, o assorbiti, se i quark sono
rispettivamente trasformati da u a
d, e da d ad u. ( Decadimento Beta)
Esiste un mondo di particelle elementari dove ad ogni particella di spin
½ corrisponde una particelle di spin 1 (e viceversa)
 Supersimmetria
Molto lavoro teorico ma finora nessuna conferma sperimentale!
La fisica ha bisogno di conferme sperimentali
Le particelle sono in realtà delle corde
 Teoria delle stringhe
Viviamo in un mondo che ha piu’ di 3+1 dimensione ma noi
vediamo solo queste. Si cercano effetti dovuti all’esistenza di altre
dimensioni (extra-dimensions). Sembra una strada promettente per
unificare la gravitazione insieme alle altre forze.