FISICA SUBNUCLEARE
ED UNIFICAZIONE DELLE FORZE
ACCELERATORI DI PARTICELLE
• 1909: Esperimento di Rutherford
• Usate particelle alfa generate da un decadimento radioattivo
• Energia ridotta (circa 5 MeV)
• Possibilità di indagare l’atomo ed, in parte, il nucleo
• Come fare per indagare più a fondo?
ENERGIE SEMPRE PIÙ ALTE…
• Ogni particella ha una sua lunghezza d’onda 𝜆 = 𝑝ℎ
• Ad ogni lunghezza d’onda è associata una frequenza 𝑓=𝜆𝑣
• Ad ogni frequenza è associata un’energia 𝐸 = ℎ𝑓
• Per studiare l’infinitamente piccolo (come il nucleo, che ha
dimensioni di 10-14 m) servono altissime frequenze e altrettanto
alte energie!
GLI ACCELERATORI DI PARTICELLE
• Sono dispositivi atti ad accelerare particelle e a farle convergere sul
bersaglio
• Sono di vari tipi
• Lineari: sfruttano campi elettrici e d.d.p. per accelerare particelle cariche
• Circolari: sfruttano campi elettrici e magnetici per accelerare particelle cariche
mantenendole su orbite circolari. Si dividono a loro volta in varie sottocategorie
• I più moderni impianti di accelerazione (Fermilab, CERN) sono una combinazione
di più acceleratori di vario tipo.
DIFFUSIONE ED ANNICHILAZIONE
• Processi visualizzati sperimentalmente negli acceleratori
• Annichilazione: lo scontro tra una particella e la sua antiparticella (identica
in tutto fuorché nella carica che è opposta) in cui tutta la loro energia
viene trasformata in un fotone che poi può ritrasformarsi in un’altra
coppia particella – antiparticella.
• Diffusione: uno ‘scontro’ tra due particelle in qui una delle due cambia
direzione e rilascia parte della sua energia che trasforma un fotoni o
coppie particelle – antiparticelle.
LA FORZA DAL PUNTO DI VISTA MICROSCOPICO
• Le particelle non interagiscono direttamente tra loro
• Il fotone di cui sopra (nel caso di interazione EM) funge da
mediatore: in altre parole, l’interazione EM tra due particelle è
dovuta allo scambio di un fotone.
• Il fotone è detto virtuale perché ha vita brevissima.
MEDIATORE DELLA FORZA
e-
e-
• Nella diffusione gli stati differiscono
perché tramite il fotone c’è scambio di
impulso
γ
e-
etempo
• Nell’annichilazione, il fotone
trasferisce solo energia
• Si può spiegare così il concetto di forza
che agisce a distanza (e anche quello
di campo di forza)
μ-
e-
γ
e+
μ+
ENERGIE SEMPRE PIÙ ALTE…PERCHÉ?
• ΔxΔp≥h/2 π
• Maggiore è l’impulso (ovvero l’energia cinetica) minori sono le
distanze che possiamo esplorare
• Ma ΔEΔt≥h/2 π
• Quindi tali fenomeni hanno durata brevissima. (Per fortuna c’è la
relatività)
DI COSA È FATTA LA MATERIA?
• La ricerca dei costituenti ultimi e indivisibili della materia, iniziata
dai filosofi greci, continua ininterrotta da circa venticinque secoli.
• Dalla descrizione del mondo per mezzo di quattro elementi . . .
DI COSA È FATTA LA MATERIA?
• Tutto ciò che esiste in natura ha origine da un numero limitato di
costituenti fondamentali; questi elementi per tradizione sono le
particelle elementari e rappresentano le più piccole e le più
semplici unità di materia fisicamente concepite.
• Il termine “elementare” oggi viene attribuito ad ogni elemento di
materia di cui al momento attuale non se ne conosce una
struttura.
PARTICELLE FONDAMENTALI
• Leptoni (soggetti alla forza debole – elettroni, leptoni, muoni e neutrini)
• Adroni (soggetti alla forza forte)
• Barioni (costituiti da tre quark)
• Mesoni (costituiti da una coppia quark – antiquark)
u
I QUARK
d
d
p+
u
p-
• Sono di 6 «sapori» (up, down, top, bottom, charmed, strange)
• Dotati di carica di «colore» (rosso, verde e blu)
u
u
protone
d
u
d
neutrone
d
IL MODELLO STANDARD
• Il nome con cui si indica la teoria quantistica che include la teoria
delle interazioni forti (cromodinamica quantistica o QCD) e la
teoria unificata delle interazioni deboli ed elettromagnetiche
(teoria elettrodebole o QED).
• La forza di gravità non è compresa nel modello standard, ma si
aggiunge per completezza.
• La sua bellezza sta nella capacità di spiegare centinaia di particelle
e interazioni complesse con poche particelle e interazioni
fondamentali.
GRAVITÀ
La forza gravitazionale è probabilmente la forza che ci è più familiare, ma non è
compresa nel Modello Standard perché la formulazione attuale della teoria della
gravitazione (la relatività generale) non è compatibile con la meccanica
quantistica.
Anche se la gravità agisce su ogni cosa, è una forza molto debole quando non ha
a che fare con grandi masse.
La particella mediatrice per la forza di gravità è il "gravitone".
La particella non è stata ancora osservata.
ELETTROMAGNETISMO
Molte delle forze che si sperimentano ogni giorno sono dovute alle
interazioni elettromagnetiche nella materia.
L’elettricità (positiva/negativa) e il magnetismo (nord/sud) sono diverse
facce di una stessa interazione, l'elettromagnetismo.
La particella mediatrice dell'interazione elettromagnetica è il fotone.
La forza elettromagnetica rende ragione di tutta la chimica, quindi di tutta
la biologia, e quindi della vita stessa.
FORZA FORTE
Tra particelle dotate di carica di colore agisce l‘interazione forte.
Dato che questa interazione tiene insieme i quark a formare gli adroni, la sua particella
mediatrice è stata chiamata gluone
(dall’inglese «glue» = colla).
Solo i quark e i gluoni hanno carica di colore.
Gli adroni (tra cui i protoni e i neutroni) e i leptoni sono neutri di colore.
Per questo motivo, l'interazione forte agisce soltanto a livello di quark.
FORZA DEBOLE
La somma delle masse delle particelle prodotte è sempre inferiore alla
massa della particella di partenza.
Questo è il motivo per cui la materia stabile che ci circonda contiene solo
elettroni e i quark più leggeri (up e down).
Quando un quark o un leptone cambia tipo (per esempio un muone
diventa un elettrone), si dice che cambia sapore.
Tutti i cambiamenti di sapore sono dovuti all'interazione debole.
Le particelle mediatrici dell'interazione debole sono i bosoni W+, W-, Z0.
Nel Modello Standard l’interazione elettromagnetica e quella debole sono
congiunte in un'interazione unificata, chiamata elettrodebole.
MODELLO STANDARD
può essere interpretata
mediante il
caratterizzate da
secondo il quale
esistono
spin semintero
(fermioni)
6 leptoni
particelle di
materia
e
La fenomenologia e la molteplicità
delle particelle elementari
costituite da
fra i quali
esiste
6 quark
caratterizzate da
corrispondenza
biunivica
Vale il
principio di
incompene
trabilità
interazione
elettrodebole
spin intero
(bosoni)
unificate nella
particelle di
campo
gravitazionale
che mediano le
elettromagnetica
interazioni
fondamentali
mediata da
mediata da
gravitone
fotone
denominate
debole
forte
mediata da
mediata da
bosoni W±, Z0
gluoni
Non vale il
principio di
incompene
trabilità
PROBLEMI…. =S
Perché ci sono tre generazioni di quark, e tre di leptoni?
I quark e i leptoni sono davvero fondamentali, o sono a loro volta composti di particelle più elementari?
Perché il Modello Standard non è in grado di predire la massa di una particella?
In base agli esperimenti, ci dovrebbero essere uguali quantità di materia e antimateria nell'universo: allora perché, in base alle
osservazioni, l'universo risulta composto principalmente di materia?
Come rientra la gravità nel Modello Standard ?
Sappiamo che nell'universo ci deve essere molta più materia di quella che possiamo osservare. Questa invisibile materia oscura,
che cosa è?
Domande come queste spingono i fisici delle particelle a costruire e adoperare acceleratori sempre più avanzati e più potenti, in
modo che collisioni ad un'energia ancora più alta possano fornire indizi per risolvere i misteri.
E LA MASSA?
Un'altra caratteristica fastidiosa del Modello Standard è che molte interazioni
fondamentali semplicemente non vengono spiegate dalla teoria.
Per esempio, perché la particella W ha grande massa, e il fotone nulla, se sono
tutti e due mediatori di forza?
Perché si genera la massa delle particelle, e perché si distribuisce così?
Per colmare questa lacuna del Modello Standard, i fisici hanno teorizzato
l'esistenza di una particella chiamata il bosone di Higgs.
Non è la particella di Dio ma è quella che «conferisce» la massa a tutte le altre
UNIFICANDO…OPPURE NO?
Uno degli scopi della fisica è di riportare teorie che sembrano non collegate tra loro ad un'unica
e semplice teoria unificata.
Il vantaggio di una teoria unificata rispetto a molte teorie frammentate è che una teoria
unificata offre una spiegazione più elegante dei dati e può indicare nuove aree di studio.
Per esempio, tra il 1861 e il 1865, James Maxwell spiegò, nella sua teoria unificata
dell'elettromagnetismo, la relazione stretta tra i campi magnetici e quelli elettrici.
Oggi, uno degli scopi principali della fisica delle particelle è di unificare le interazioni debole,
forte ed elettromagnetica in una "teoria di grande unificazione" (o G.U.T.).
Forse una teoria del genere potrebbe dirci a quali energie tutte queste forze si fondono in una
sola.
QUANTA ENERGIA SERVIREBBE?
• Davvero tanta!!!
• La massima ora raggiunta
è 104 GeV!!!
METTIAMOCI ANCHE LA GRAVITÀ
SUPERSIMMETRIA
Molti fisici hanno elaborato teorie di supersimmetria, facendo
riferimento in particolare alle teorie di grande unificazione, che
tentano di unificare le interazioni forte, debole ed elettromagnetica
per arrivare a risolvere il problema delle masse (cioè, perché le
particelle hanno quelle masse che conosciamo).
SU COSA SI BASA
La teoria di supersimmetria suppone che ogni particella che osserviamo ha una particella
"ombra" (in inglese, "shadow"), massiva.
Per esempio, per ogni quark ci dovrebbe essere un corrispondente "squark" (shadow-quark) che
lo segue dappertutto.
Nessuna particella della supersimmetria è ancora stata osservata, ma dall'autunno 1995 al CERN
cercano, con esperimenti sotterranei, l'"ombra" del bosone W, mentre al Fermilab si stanno
cercando i corrispondenti "ombra" di quark e gluoni.
Una delle particelle della supersimmetria, il "neutralino" potrebbe essere quella che compone la
materia oscura mancante.
E POI?
• …
…
Non ci è dato sapere che misteri ci sono ancora riservati, e tuttavia la
scienza continuerà nella sua opera di comprensione del creato e, in
ultima analisi, dell’uomo stesso
E quando avrai finito di leggere questo libro, tu vi legherai una
pietra, lo getterai in mezzo all’Eufrate
Geremia 51,63