La fisica delle particelle elementari
Un viaggio dentro la materia
Fin dall’antichità la gente si é chiesta:
“Di cosa é fatto il mondo?”
e
“Che cosa lo tiene assieme?”
Alla fine abbiamo capito che la materia di cui il mondo é composto é
costituita da pochi mattoncini fondamentali
Con “fondamentali” intendiamo oggetti che sono “semplici” e
“senza struttura”, non composti di altri oggetti piu` piccoli
Ancora nel 1900 si pensava che gli atomi fossero sfere permeabili
con delle cariche elettriche che si muovevano al loro interno
Ma l’atomo é l’unità fondamentale?
Presto si è capito che atomi diversi potevano essere raggruppati
in famiglie caratterizzate da proprietà chimiche simili: nasce la
TAVOLA PERIODICA DEGLI ELEMENTI
Questo indicava che gli atomi erano composti di mattoni più semplici, che uniti in
diverse combinazioni determinavano le proprietà chimiche dell’atomo
Gli esperimenti che “guardavano” dentro l’atomo mostrarono poi come questo fosse
formato da un piccolo, ma denso, nucleo positivo e una nuvola di elettroni negativi
Poiché il nucleo appariva piccolo, solido e denso, gli scienziati all’inizio
pensavano fosse fondamentale. Ma poi scoprirono che era fatto di
protoni (p), carichi positivamente, e neutroni (n), privi di carica
Ma allora, i protoni e i neutroni sono fondamentali?
I fisici hanno scoperto che i protoni e i neutroni sono composti di
particelle ancora più piccole, chiamate quark
Per quanto ne sappiamo fino ad ora, i quark non sono
fatti di nient’altro: sono FONDAMENTALI
Dopo molti esperimenti gli scienziati ora credono che
i quark e gli elettroni (e qualche altra particelle che tra
poco vedremo) siano fondamentali
Questa è la catena che ha portato i fisici del
secolo scorso alla scoperta dell’infinitamente
piccolo: ma le particelle sono molte!
Ora andremo alla scoperta di alcuni dei più
strani oggetti che la natura abbia creato…
Facciamo un po’ di ordine…
I fisici hanno sviluppato una teoria chiamata Modello Standard
che spiega di cosa il mondo è fatto e cosa lo tiene assieme
Il Modello Standard spiega tutte le centinaia di particelle e le
complesse interazioni che le legano con una semplice ricetta:
6 quark (che formano le particelle più pesanti, tra cui protone e neutrone)
+
6 leptoni (particelle più leggere, tra cui l’elettrone)
+
Particelle che trasportano le forze (come il fotone)
Quark
La maggior parte della materia che ci circonda è fatta
di protoni e neutroni, che sono composti di quark
Ci sono sei quark, raggruppati in tre coppie: up/down (su/giù),
charm/strange (incanto/strano) e top/bottom (cima/fondo)
I quark hanno la strana caratteristica di avere
carica elettrica frazionaria (diversamente dal
protone e dall’elettrone che hanno carica +1 e -1)
Il quark più misterioso, il quark top, fu scoperto
nel 1995, mentre la sua esistenza era stata
teorizzata venti anni prima!
Anche se i singoli quark hanno carica elettrica frazionaria, si combinano
in modo da formare particelle (chiamate adroni) con carica elettrica intera
Ci sono due tipi di adroni:
Barioni (dal greco=pesanti)
Mesoni (dal greco=in mezzo)
…che sono fatti di tre quark
…che sono fatti di un quark
e di un antiquark
Leptoni
Sono un altra famiglia di particelle di materia, che a differenza
dei quark non stanno uniti ma preferiscono vivere da soli…
Ci sono sei leptoni, tre con carica elettrica e tre neutri
Il leptone carico più famoso e’ l’elettrone, che già abbiamo incontrato.
Poi ci sono due elettroni più pesanti, il muone e il tau
Gli altri tre leptoni sono i tre tipi di neutrino. Essi non hanno
carica elettrica, sono leggerissimi e difficilissimi da “vedere”
I neutrini sono stati previsti come spiegazione alla massa
mancante nel decadimento del neutrone (E. Fermi)
…ma non finisce qui!
Per ogni tipo di particella di materia che abbiamo incontrato finora
esiste anche una particella di antimateria, chiamata antiparticella
Le antiparticelle sono uguali alle corrispondenti particelle
di materia, ma hanno carica elettrica opposta
Quando una particella e la corrispondente antiparticella
si scontrano, si annichiliscono in pura energia!
Uno zoo di particelle!
Finora sono state scoperte circa 200 particelle, che sono composte
dai mattoncini che abbiamo visto in precedenza: troppe?
Enrico Fermi una volta disse ad un suo studente:
“Giovanotto, se fossi in grado di ricordarmi i nomi
di tutte queste particelle sarei stato un botanico!”
Lo scopo dei fisici non è quindi catalogare le particelle (non sono dei botanici!),
ma scoprire se esse nascondano delle regolarità, delle simmetrie che spieghino
come la natura faccia interagire i mattoni fondamentali dell’universo
Abbiamo visto quali sono le particelle fondamentali che
compongono l’universo: ma come interagiscono tra loro?
Ci sono quattro interazioni fondamentali tra le particelle, e tutte le
forze possono essere attribuite a queste quattro interazioni. Qualunque
forza si consideri - l’attrito, il magnetismo, la gravità, le reazioni nucleari
e così via – è causata da una di queste quattro interazioni fondamentali:
Nel mondo delle particelle la forza di gravità ha un ruolo
trascurabile, perchè abbiamo a che fare con oggetti leggerissimi!
Ma cosa vuol dire che due particelle interagiscono?
Se due pattinatori sul ghiaccio si scambiano una palla, l’effetto
di azione e reazione li farà spostare entrambi dall’equilibrio:
Allo stesso modo due particelle interagiscono scambiandosi
una particella che trasporta la forza, spostandosi dall’equilibrio…
La forza elettromagnetica fa si che oggetti
con la stessa carica si respingano e che
oggetti con carica opposta si attraggano
Ad esempio la forza che tiene uniti gli atomi e che rende la
materia “solida” e impenetrabile è di natura elettromagnetica!
La forza nucleare “forte” tiene assieme i protoni e
i neutroni nei nuclei degli atomi, e lega i quark che
formano i protoni e i neutroni.
Poichè tiene assieme particelle con la stessa
elettrica,
che tendono a respingersi,
Lecarica
particelle
che
deve essere una forza, appunto, “forte”
Le particelle che mediano la forza “forte” tra i
quark sono chiamati “gluoni”, perchè tengono incollati
tra loro i quark (in Inglese glue=colla)
La forza nucleare “debole” è responsabile del
decadimento di quark e leptoni pesanti in
quark e leptoni più leggeri
Quando una particella decade scompare, e viene
rimpiazzata da due o più particelle diverse.
Ad esempio nel decadimento del neutrone:
L
Le tre particelle che mediano la forza “debole”, sono chiamate W+, W-, Z0
(scoperti da C. Rubbia nel 1983)
Ma come si “vedono” le particelle elementari?
Per “vedere” oggetti così piccoli, i fisici li colpiscono con
particelle esploratrici di altissima energia: più è alta
l’energia, più piccola è la particella che può essere studiata
Inoltre l’energia delle particelle proiettile viene utilizzata per
creare dal nulla particelle pesanti che i fisici vogliono studiare
Per produrre in laboratorio particelle
così energetiche sono stati costruiti
degli “Acceleratori di particelle”
Dopo che un acceleratore ha pompato abbastanza energia nelle particelle
accelerate (di solito sono protoni ed elettroni), queste collidono su un
bersaglio fisso, oppure tra di loro. Ogni collisione produce un evento,
che i fisici “vedono” grazie ad un “Rivelatore di particelle”
La circonferenza dell’anello
di accelerazione è di 27 Km!
L’acceleratore più grande del mondo, LHC, si trova al CERN di Ginevra (CH)
Spesso però siamo fortunati, perchè
la natura ci fornisce particelle già accelerate!
…dai collassi stellari!
…dal Sole!
…bisogna “solo” trovare dei modi
furbi per “catturarle”… come ?
…da urti tra particelle
nell’atmosfera!
...osservando il cielo mettendoci sottoterra!
Sembra una contraddizione, ma se vogliamo osservare le particelle
più strane che arrivano dallo spazio dobbiamo eliminare
le fonti di “rumore” come la radioattività e i raggi cosmici...
… e quindi mettendo i rivelatori di queste particelle sotto
molti kilometri di roccia, che lascia passare solo le
particelle che interagiscono meno con la materia…
ICARUS!
Ricerca eventi rari: neutrini che vengono dal Sole e dalle esplosioni
di Supernove, neutrini che vengono sparati da un acceleratore
che si trova al CERN (730Km!!!), e il decadimento del protone
I neutrini interagiscono poco con la materia, quindi l’Universo ne è pieno.
ICARUS cerca di scoprire se hanno una massa: con il loro numero possono
contribuire alla massa dell’Universo e condizionare la sua espansione
ICARUS è una collaborazione di più di centoventi fisici di
diverse nazioni: Italia, Polonia, Spagna, Svizzera, Cina, Stati Uniti
L’idea per il rivelatore ICARUS fu proposta già nel 1977 dal premio
Nobel Italiano e ora professore dell’Università di Pavia Carlo Rubbia
Entro quest’anno il rivelatore ICARUS sarà trasportato nei laboratori
sotterranei dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, sotto il Gran Sasso
Come funziona ICARUS ?
che raccolgono
Una
…che
particella
vengono che
trasportati
gli elettroni
attraversa
da
producendo
il
unrivelatore
campo
elettrico
segnali
urta glielettronici…
elettroni
verso tredegli
pianiatomi
di fili…
di argon…
Catodo
Argon liquido (-186°)
eeee-
E
e-
E
ee-
e-
Anodo: 3 piani di fili
Rivelatore
ICARUS T600
… che vengono raccolti ed elaborati per la successiva analisi
Ed ecco alcuni esempi di tracce di particelle, ricostruite dai
segnali raccolti dal primo modulo di ICARUS nel 2001 a Pavia!
Presto ICARUS darà soluzione ad alcuni dei più grandi misteri
che riguardano la fisica delle particelle elementari…
Potete trovare questa presentazione sul sito di ICARUS – Pavia:
www.pv.infn.it/~icarus
Le trovate nel menu “Public” nella colonna di sinistra