La fisica delle particelle
a cura della prof.ssa Rosanna Garello
Modello Standard
Materia ed energia
COSTITUENTI
LEPTONI
QUARK
FORZE
PARTICELLE
MEDIATRICI
Il decadimento radioattivo
Dal nucleo può essere emesso:
• un nucleo di elio
decadimento a
• un elettrone
decadimento b
• una radiazione elettromagnetica ad alta
frequenza
decadimento g
La seguente foto mostra il diverso tipo
di penetrazione dei tre fasci di
particelle a, b e g.
Schema decadimenti a, b e g
L’ANTIMATERIA
Dato che ad ogni particella elementare corrisponde un’antiparticella, cioè una
particella avente la stessa massa, lo stesso spin e la stessa carica, ma di segno
opposto, si può pensare di costruire una materia complessa in cui ad ogni
particella della materia conosciuta si sostituisce la corrispondente antiparticella
con proprietà del tutto simile a quella della materia ordinaria.
Quando una particella ed un’antiparticella si incontrano annichiliscono, liberando
una quantità enorme di energia. Non è facile realizzare antimateria complessa
perché non deve entrare in contatto con la materia ordinaria.
Antiidrogeno
L’antimateria è una predizione teorica di Dirac in quanto, partendo
dall’equazione di Einstein relativa all’invariante energia – impulso:
E2 = p2 c2 + m02 c4
osservò che per ricavare l’energia si deve estrarre la radice quadrata di
entrambi i membri e i risultati possibili dal punto di vista algebrico sono un
valore positivo e uno negativo.
Fino a quel momento si era sempre scartata la soluzione negativa perché
priva apparentemente di significato fisico, mentre Dirac deduce da essa
l’esistenza teorica di particelle con energia negativa.
Nel 1932 si ha una prima conferma sperimentale: utilizzando la camera a
nebbia di Wilson, facendo interagire i fotoni con una lastra di piombo si
generano elettroni e positroni, l’antiparticelle dell’elettrone.
Nel 1955 si ottiene l’antiprotone.
Schema trappola
Nel 1956 si ottiene l’antineutrone.
dell’antiprotone
Per ottenere le particelle di antimateria occorre molta
energia oppure si possono ricavare dalle radiazioni
cosmiche. Ad esempio il sodio 23 è una sorgente spontanea di positroni.
Una volta generate le antiparticelle occorre intrappolarle e a questo scopo si
utilizzano campi elettrici e magnetici, se le particelle sono elettriche si ha
difficoltà a misurare le caratteristiche perché le forze elettriche sono miliardi
di volte superiori a quelle gravitazionali. Si sperimenta meglio con gli atomi
perché sono neutri.
Per generare atomi di antiidrogeno occorrono 10 9 eV, cioè energie molto
grandi, si pensi che le energie in gioco nella nostra vita quotidiana sono
dell’ordine di qualche elettronvolt, poi si devono ” raffreddare “ e riportare ad
energie molto basse dell’ordine 10 6 eV, mediante i deceleratori.
Le trappole sono studiate in modo da raffreddare ulteriormente le particelle di
antimateria fino a 102 eV, quando un positrone e un antiprotone si incontrano
si ottiene un atomo di antiidrogeno.
I quesiti aperti sono: la luce emessa dall’antiidrogeno è
identica a quella dell’idrogeno ?
Con quale accelerazione di gravità cade un atomo di
antiidrogeno ? Ci si aspetta che sia diversa da 9,81 m/s2 .
Schema produzione dell’antiidrogeno
Si ritiene che nel momento della nascita dell’Universo, il Big Bang,
la materia e l’antimateria siano state create in quantità uguali,
mentre oggi viviamo in un universo apparentemente fatto
interamente di materia. Dov’è finita tutta l’antimateria ?
Un tempo si pensava che l’antimateria fosse un “ riflesso “ perfetto
della materia: sostituendo la materia con l’antimateria e guardando
al risultato in uno specchio non ci si sarebbe accorti della differenza.
Oggi sappiamo che quel riflesso è imperfetto e che proprio questo
difetto è forse all’origine dello squilibrio fra materia e antimateria.
Il campo di HIGGS
Tutte le particelle-materia e tutte le particelle-forza se
fossero in uno spazio assolutamente vuoto avrebbero
massa nulla e quindi si muoverebbero alla velocità della
luce, invece alcune sono dotate di massa come gli
elettroni, i muoni, i quark, altre no come i fotoni e i
gluoni. Come si spiega la differenza delle masse ?
Il modello Standard potrebbe avere la risposta in quello
che è noto come il meccanismo di HIGGS secondo cui
tutto lo spazio sarebbe riempito da un “campo di Higgs
“che dà massa a tutte le particelle che interagiscono con
esso con una sua specifica intensità, tranne ai fotoni, ai
gluoni e ai gravitoni che con tale campo non
interagiscono. Se l’ipotesi è corretta devono esistere i “
quanti “ del campo scalare cioè nuove particelle forza
dotate di massa dette “ particelle di Higgs “. Con LHC si
potrà veder se questa nuova particella esiste.