Università delle liberEtà - Questioni di Fisica Contemporanea
e
Parte seconda
Giuliana Catanese
Particelle elementari e non
• Il concetto di particella elementare è legato al
momento storico e alla teoria che è alla base della
concezione dell’universo
• Va notato che il termine particella, pur essendo
entrato nell'uso comune, non sarebbe adeguato , in
quanto la meccanica quantistica ha eliminato la
distinzione tra particelle e onde che aveva
caratterizzato la fisica del XIX secolo.
• Intenderemo perciò come particelle delle entità
dotate sia di aspetti corpuscolari che di aspetti
ondulatori, tra loro indissolubilmente legati.
Modello standard (MS)
• Il Modello standard è una teoria che è stata
formalizzato negli anni ‘70 del secolo scorso .
• Descrive tutta la ‘realtà’ nota sia nella struttura sia in
tre delle interazioni fondamentali (interazione forte,
elettromagnetica e debole ) a partire da due gruppi di
particelle elementari : Fermioni e Bosoni
• Si tratta di una teoria coerente sia con la Meccanica
Quantistica che con la Relatività Ristretta, non con la
Relatività Generale.
• Ad oggi, le previsioni del Modello standard sono state
in larga parte verificate sperimentalmente con
un'ottima precisione.
Limiti di MS
• Esso non può essere considerato una teoria completa delle
interazioni fondamentali in quanto non comprende la Gravità
per la quale non esiste ad oggi una teoria quantistica
coerente.
• Non prevede, inoltre, l'esistenza della materia oscura che
costituisce gran parte della materia esistente nell‘Universo.
• E inoltre pone gravi problemi con le masse delle particelle
elementari: sostiene infatti che le particelle elementari non
dovrebbero avere massa.
• E questo è un bel controsenso, perché se le cose hanno
massa, dovrebbero avercela anche le particelle che le
compongono. Il problema è che se aggiungiamo “a mano”
nella teoria la massa delle particelle, le equazioni vengono
distrutte e non valgono più alcune importanti invarianze..
Ricordiamo che per la materia
ordinaria le particelle elementari
si possono ricondurre solo a:
•
•
•
•
Quark up
Quark down
Elettrone
Bosoni mediatori
Struttura nucleoni
• Protone è formato da tre quark base,
detti quark di valenza, due up (ciascuno con carica positiva
pari a 2/3 della carica totale del protone) e un down (con carica
-1/3) uup
• Neutrone è formato da due down e un up, ddu
Modello a quark del protone
Particelle portatrici di forza: i Bosoni
• l’interazione nucleare forte è mediata dai
gluoni, (dall'inglese «glue», colla). Vi sono diversi tipi di
gluoni e, per differenziarli sono stati utilizzati i
colori (da qui cromodinamica quantistica).
• l’interazione elettromagnetica è mediata dai
fotoni
• l’interazione nucleare debole dai bosoni
W+(dall’inglese « weak», debole) W- e Z
Complichiamo ora un po’ le
cose…
e tentiamo una
classificazione di tutte le
particelle elementari finora
trovate o previste
Particelle elementari
=Fermioni=
leptoni
quark
I quark si differenziano dai leptoni, per la carica elettrica.
I leptoni (come l‘elettrone) hanno carica intera (+1, 0 o -1) mentre i quark
hanno carica +2/3 o -1/3 (gli antiquark hanno invece carica -2/3 o +1/3).
=Bosoni mediatori=
Alcune caratteristiche
Bosoni è un nome dato in onore al fisico indiano
Satyendra Bose, fermioni chiaramente in onore al fisico
italiano Enrico Fermi
i fermioni hanno spin ½,
i bosoni hanno spin intero 1 ( o 0 o2)
I fermioni obbediscono al principio di esclusione di
Pauli: due fermioni identici non possono occupare
simultaneamente lo stesso stato quantico.
I bosoni, che seguono la Statistica di Bose - Einstein,
sono invece liberi di affollare lo stesso stato quantico.
I quark dopo a loro volta andranno a formare tutte le
altre particelle non elementari. Esse vengono
chiamate adroni.
Esse possono essere o barioni o mesoni
Quelle composta da tre quark come il protone e il neutrone vengono
dette Barioni,quelle composte da un quark e un antiquark: i Mesoni.
Particelle composte da un insieme di molte altre
particelle (come i protoni o i nuclei atomici) possono
comportarsi come fermioni o bosoni, in funzione del
loro spin totale
Di tutte le particelle composte da quark solo i
protoni e i neutroni nei nuclei sono stabili,
mentre le altre sono instabili ossia tendono a
trasformarsi in tempi brevissimi in altre particelle
Spin*
• In meccanica quantistica lo spin è il momento angolare
intrinseco associato alle particelle. Diversamente dagli
oggetti rotanti della meccanica classica, che derivano il loro
momento angolare dalla rotazione delle parti costituenti intorno
un certo centro di massa o ad un asse, lo spin delle particelle
elementari non può essere associato alla rotazione di particelle
più piccole. Eppure, le particelle elementari, come gli elettroni,
possiedono uno spin, anche se sono (allo stato attuale delle
conoscenze) considerate particelle puntiformi.
• La sua scoperta per l’elettrone nel 1925 (da parte dei fisici
Uhlenbeck e Goudsmit) ha rivelato che esiste un tipo di moto
che non sarebbe possibile in un universo classico,ma è in un
certo senso leggibile come una proprietà magnetica scaturita
dal movimento di una carica, in quel caso dell’elettrone
• Lo spin che tutte le particelle elementari portano è veramente
una proprietà fisica intrinseca, come la massa o la carica.
Tutti gli elettroni nell’universo ,oggi e per sempre, ruotano a
velocità fissa e immutabile. Il valore di s dipende solo dal tipo
di particelle e non può essere alterato in nessun modo noto.
*trottola
• s numero quantico di spin può assumere solo valori interi o
seminteri ,abbiamo visto che i fermioni hanno spin ½ e i
bosoni 1 (rispetto la costante di Planck)
• L’ipotetico bosone di Higgs sarebbe l’unica particella
elementare con spin 0.
• Certamente noi non possiamo usare una visualizzazione
classica per descrivere lo spin,ma solo la simbologia
matematica.
• Lo spin non è previsto dalla meccanica quantistica non
relativistica e deve essere introdotto come postulato.
• Esso è invece previsto dalla meccanica quantistica
relativistica (equazione di Dirac).
Leptoni*
• Ci sono sei leptoni, dei quali tre hanno carica elettrica e tre no.
Il leptone carico più conosciuto è l'elettrone (e). Gli altri due
leptoni carichi sono il muone (µ) e il tau (τ ), che sono
fondamentalmente elettroni con molta più massa. I leptoni
carichi sono tutti negativi.
• Gli altri tre leptoni sono gli elusivi neutrini ( ). Non hanno
carica elettrica, e hanno una massa piccolissima e forse non
ce l’hanno per niente C'è un tipo di neutrino che corrisponde a
ogni tipo di leptone con carica elettrica.
• Per ciascuno dei sei leptoni c'è un leptone di antimateria
(antileptone) con massa uguale e carica opposta.
• Tutti i leptoni sono stati rilevati
* leptone =leggero: La definizione è inappropiata infatti il neutrino τ è 3000 volte più
pesante dell’elettrone
• Che i neutrini abbiano una massa prossima a zero o
esattamente zero è una questione molto importante per una
stima della massa mancante nelle teorie cosmologiche..
Sembrerebbe (vedi fascicolo di IFSN) che i neutrini siano
effettivamente dotati di una massa seppur piccolissima,
sarebbe 250.000 volte più piccola di quella dell’elettrone
• Che questo neutrino siano difficilmente individuabili dai fisici
sperimentali non dovrebbe meravigliare viste le caratteristiche
peculiari dei neutrini, così "evanescenti" e sfuggevoli da
meritare in pieno il nomignolo di particelle "fantasma". Infatti i
neutrini, benché siano forse le particelle più numerose
dell'Universo (una stella emette 100 neutrini per ogni fotone,
cioè 100 volte più neutrini che luce), tuttavia possono
interagire con il resto dell'Universo solo nel modo "debole".
Questo fa sì che un singolo neutrino possa attraversare anche
un anno luce (~ diecimila miliardi di chilometri!) di materia
densa (per esempio piombo) senza essere fermato o
catturato. In ogni istante siamo attraversati da innumerevoli
orde di neutrini senza che minimamente ce ne accorgiamo (e
fortunatamente senza danno alcuno).
• Ci si potrebbe chiedere come mai allora ci si è accorti
dell'esistenza di questi fantasmi. La risposta è che "dovevano"
esistere, altrimenti le nostre leggi di conservazione principali,
tra cui la conservazione dell'energia non erano più valide.
Spaventati da apparenti violazioni sperimentali di queste
conservazioni, negli anni '30 due dei principali fisici di allora,
prima Pauli e poi Fermi, ipotizzarono l'esistenza di questa
particella fantasma.
• L'esistenza di tale particella e le sue proprietà sono state quindi
dedotte teoricamente, ma allora nessuno sperava che un
neutrino potesse mai essere effettivamente "visto" (cioè
catturato). Eppure nel 1956 ci fu la prima "cattura"
sperimentale di neutrini elettronici (Clyde Cowan e Frederick
Reines), resa possibile con l’utilizzo di forti sorgenti artificiali di
neutrini: le centrali nucleari.
• Più difficile era produrre neutrini muonici, per la cui conferma
sperimentale si dovette aspettare alcuni anni (1962, Leon
Lederman, Melvin Schwartz, e Jack Steinberger) , e ancora più
difficile era produrre un numero di neutrini tauonici
sufficientemente alto da rendere possibile la cattura di qualche
esemplare.
• L'ultima trappola acchiappa-neutrini è entrata in azione nel
settembre 2006 sotto il Gran Sasso. Dovrebbe bloccare i
neutrini sparati nella sua direzione dal CERN di Ginevra.
• Un viaggio di 730 chilometri in appena 2,5 millisecondi , ma il
vero aspetto rivoluzionario dell'esperimento non consiste
nell'andare a caccia degli stessi neutrini prodotti al CERN, ma
di quelli che durante il viaggio si sono trasformati, hanno –
come dicono i fisici – cambiato "sapore". Il fascio che parte da
Ginevra è composto esclusivamente di neutrini muonici. Ma in
OPERA, i fisici si aspettano di scoprire anche dei neutrini
tauonici.
• Sarebbe la prova diretta che i neutrini hanno una massa,
perché solo entità con una massa possono "oscillare", ovvero
cambiare sapore. E se i neutrini hanno una massa, spiega
Roberta Antolini, «potrebbero aiutarci a capire perché all'inizio
dell'universo ci sia stata una predominanza della materia
sull'antimateria e perché la maggior parte della materia non è
visibile ai nostri occhi».
quark
• Il nome quark deriva forse da three quarks for Muster Mark, una frase
senza senso contenuta nel romanzo Finnegans Wake di J. Joyce.
Altre fonti, invece, ritengono che il nome derivi da "QUestion mARK"
cioè "punto interrogativo" in inglese, proprio per identificare la natura
misteriosa e piena di interrogativi che li caratterizzava
• Esistono un certo numero di varietà diverse di quark chiamati sapori
ed essi sono: up, down, charm, strange, top e bottom.
• In base alla teoria della cromodinamica quantistica* (QCD), i quark
possiedono un'altra proprietà chiamata carica di colore (che non
ha niente a che vedere con i colori reali), invece di due tipi differenti di
carica(come il + e il - dell‘elettromagnetismo), la carica di colore è di
tre tipi: rosso, verde e blu (6 se contiamo le anticariche)..
• I colori dei quark non sono statici, ma vengono scambiati, sempre
mantenendo il risultato, dai gluoni: particelle anch'esse dotate di
carica di colore e responsabili della propagazione dell‘interazione
forte.
* nome colorito per quella che dovrebbe essere chiamata dinamica
quantistica della forza forte
Confronto fra masse di fermioni
Famiglia 1
particella
Massa
Famiglia 2
particella
(in GeV)
elettrone
0,00054
< 10-8
Neutrino
elettronico
Quark up 0,0047
Quark
down
0,0074
Famiglia 3
massa
particella
(in GeV)
massa
(in GeV)
muone
0,11
tau
Neutrino
muonico
Quark
charm
Quark
strange
<0,0003
Neutrino <0,033
tau
Quark top 189
1,6
O,16
Quark
bottom
1,9
5,2
la distribuzione delle masse appare veramente incomprensibile,sembrano
numeri senza senso
Noterella di cronaca
• Quando alla fine degli anni trenta i fisici che
studiavano i raggi cosmici scoprirono il muone, il
premio nobel Isaac Rabi salutò la sua scoperta
con un freddo “Chi l’ha ordinato questo?”
• Non c’era nulla nell’ordine del cosmo che
richiedesse la presenza del muone, e invece
tante altre particelle ‘nuove’ sarebbero state
scoperte
Mediatori di forze
forza
raggio
d'azione
massa di
portatore riposo
(GeV/c2)
spin
carica
elettrica
Note
gravità
infinito
gravitone
0
2
0
ipotizzato
Elettromagnetismo
infinito
fotone
0
1
0
Osservato
direttamente
debole
forte
>10
-16
•
forzaraggio d'azioneportatoremassa di riposo (GeV/c 2)spincarica
cm
W+
WZ
81
81
93
1
1
1
+1
-1
0
Osservati
direttamente
>10 -13
gluoni
0
1
0
Confinato
permanentemente
cm
Interazione nucleare forte
• È l'interazione che tiene legati i quark all'interno del protone e
del neutrone e anche protoni e neutroni all’interno del nucleo
• Questa a differenza dell’'interazione elettromagnetica fra due
particelle con carica elettrica che diminuisce all'aumentare della
loro distanza, aumenta all'aumentare della distanza fra i
quark all'interno di un protone.
• Se immaginiamo ai due capi di una cordicella o di un
elastico(una cordicella-mesone), non molto lungo un quark ed
un antiquark, la tensione della corda rappresenta l’entità della
forza forte che tiene unite le due particelle: se si diminuisce la
distanza si nota che la cordicella, la tensione diminuisce
sempre di più, ad un certo punto diventerà quasi nulla, Mentre
se si allontanano i due estremi si comincerà a tendere, la
tensione aumenta.
• Quando la tensione diviene elevata alla corda, o all'elastico,
conviene spezzarsi...
Cercando di distanziare i quark si allunga la corda, e se ne aumenta
l'energia.
Nell'immagine è rappresentato un mesone, per un barione( 3 quark) la
situazione è un po’ più complicata: i tre capi con i quark potrebbero esser
disposti in diversi modi, apparentemente tutti validi.
Purtroppo le cose non sono così semplici! Pensate che una corda del
genere si può muovere in 25 dimensioni spaziali ( +1 temporale)!
• Questa curiosa proprietà dei quark e della loro attrazione
reciproca dà luogo a due fenomeni concomitanti che hanno
profondamente stupito i fisici di questi decenni. Si tratta dei
fenomeni complementari del confinamento dei quark e della
loro cosiddetta libertà asintotica.
• Con il primo termine si indica il fatto che nessuno ha mai
osservato un quark isolato. Questi vanno molto spesso a gruppi
di tre, per costituire appunto protoni o neutroni, e comunque
non girano mai da soli. Sono, per cosi dire, confinati. Ogni volta
che si volessero allontanare vengono «richiamati alla base» da
forze potentissime dalle quali non possono scappare.
• Quando però si trovano vicinissimi tra di loro, come all'interno
di un protone, sembrano quasi ignorarsi. Si attraggono
reciprocamente infatti con una forza debolissima. Fino al punto
di poter essere considerati quasi liberi. E completamente liberi
sarebbero se si trovassero a distanza infinitamente piccola.
(Edoardo Boncinelli Corriere della Sera, giovedì 12 aprile 2007)
• non appena liberi, i quark si riassocino subito ad altri quark e di
fatto non è possibile separarli (un po' come accade quando si
taglia in due una calamita, i due poli magnetici si riformano
subito).
I quark non sono mai stati osservati isolatamente
Interazione nucleare debole
• Mentre la forza forte è una prerogativa dei quark e dei composti di quark (gli
adroni) la forza debole abbraccia leptoni e quark.
• Messaggeri di quest’interazione sono i bosoni carichi W+ e W- e il bosone
neutro Z0.
• Essi hanno una massa pari a quasi cento volte quella del protone e il loro
raggio d'azione è d'appena un centesimo del diametro del protone : 2*10-18
m!
• Inoltre la forza debole è l'unica che in un certo senso non "lega" niente! Al
limite divide: è infatti responsabile dei decadimenti : fa cambiare sapore alle
particelle.
COME FUNZIONA?
• mentre ad opera della forza forte un quark può cambiare colore, ma se è up
resta up, se è down resta down.
l’interazione debole permette questo “salto di qualità”……trasformando
un down in un up…
• Che poi è ciò che accade in un decadimento beta :ufficialmente un neutrone
decade in un protone, in un elettrone ed in un antineutrino
n -> p + e- + ne
ma cosa avviene realmente?
• Ricordando che il neutrone è : up down down (udd) mentre
quella il protone è up up down (uud) basterà che un quark up
cambi sapore e si trasformi in un quark down per ottenere il
nostro protone e lo fa proprio emettendo un bosone W-,
che porta via anche un po’ di carica elettrica negativa.
• E uno è fatto.
• Ma il bosone W- non ha una lunga vita e si sdoppia subito in
due altre particelle:la carica negativa viene presa dall’elettrone,
ed un po’ d’energia e di quantità di moto dal neutrino, particelle
che vengono subito emesse
• Dato che i neutrini interagiscono debolmente con la materia,
quando madame Curie osservò per la prima volta questo tipo
di decadimento lo associò alla sola emissione di un elettrone; fu
E. Fermi che, seguendo un'idea di W. Pauli, introdusse l'idea
del neutrino per risolvere un'apparente contraddizione fra i
risultati sperimentali ed il principio di conservazione
dell‘energia.
Intensità relativa delle interazioni
• Nonostante la notevole disparità degli ordini di grandezza
delle 3 forze non gravitazionali ,secondo una teoria di
Georgi, Quinn e Weinberg, ciò dovrebbe essere dovuto solo
alla presenza intorno alle particelle di una specie di nebbia,
dovuta alla presenza di continue , momentanee comparse di
coppie particella-antiparticella e di altrettante annichilazioni
che nel caso della forza forte farebbero si che essa
aumentasse al diminuire della distanza,mentre negli altri due
casi la farebbe diventare meno intensa al decrescere delle
distanze.
• secondo i calcoli dei tre studiosi se esaminassimo le cose ad
una scala pari a 10-29 cm (solo 5 ordini di grandezza di più
della costante di Planck) penetreremmo abbastanza dentro la
nebbia per poter affermare che le tre forze sarebbero uguali.
• Le energie per raggiungere queste scale sono molto lontane
da ciò che possiamo esperire nella vita quotidiana,ma sono
state certamente raggiunte al tempo in cui l’universo era
incredibilmente caldo e turbolento,quando l’età era di 10-39
secondi e la temperatura di 1028 gradi Kelvin
Arriva il bosone di Higgs
• Il fatto che quark e leptoni all'interno della stessa famiglia
abbiano masse differenti è stato a lungo un grosso problema
per i fisici, la teoria Standard lo attribuisce proprio al famigerato
bosone di Higgs.
• Non vi è infatti nessuna giustificazione né per i valori di tali
masse né per l' apparizione stessa della massa... (la massa è
assente solo nei fotoni, cioè la luce, e nei gluoni)
• Si ritiene che ad energie molto elevate tutti i quark e i
leptoni siano privi di massa, mentre a energie inferiori le
interazioni con la particella di Higgs conferirebbero ai
quark e ai leptoni le loro masse.
• Questo speciale meccanismo per spiegare l'acquisizione di
massa da parte delle particelle fondamentali fu proposto nel
1964 dal fisico scozzese Peter Higgs insieme e
indipendentemente ad altri studiosi
• Il bosone di Higgs sarebbe una ipotetica particella elementare
dotata di massa,la teoria dà un limite superiore alla massa di
questa particella e la fissa in circa 200 GeV (≈3,5×10-25 Kg).
• Semplificando molto: questo nuovo tipo di particella,
pervaderebbe con il suo "campo" tutto lo spazio,come
una specie di melassa cosmica (termine usato da
Marco Delmastro) Le altre particelle muovendosi in
tale campo di Higgs sarebbero più o meno
"ostacolate" acquistando così inerzia, cioè massa.
• È come se dovessero muoversi in una atmosfera
molto densa: le particelle più "aerodinamiche"
penetrerebbero più facilmente (quindi risulterebbero
più leggere), quelle meno aerodinamiche farebbero
più fatica ad avanzare (particelle pesanti - ma
ricordate che è solo una analogia!).
• Non sapendo quale debba essere esattamente la
massa della stessa particella di Higgs... non sappiamo
quale energia bisogna raggiungere negli acceleratori
per poterla cercare.
Peter Higgs
Le masse dei quark
Le masse dei quark sono definite "masse approssimate". E' molto
difficile determinare la massa di un quark, e non è facile neppure
definire cosa si intende per massa di un quark, visto che un quark
non può mai essere isolato. Questo è vero in particolar modo per la
generazione più leggera (up e down), dato che gran parte della
massa dei loro composti (come neutroni e protoni) non deriva dalle
masse dei quark, ma dalla loro energia di confinamento.
La simmetria nascosta che dà forma al nostro mondo
da le Scienze Aprile 2008
Se non ci fosse il meccanismo del bosone di Higgs il mondo
sarebbe molto diverso. Come abbiamo visto la massa del
protone e del neutrone non è uguale alla somma delle
masse dei quark che lo compongono. Con l’energia di
confinamento dei quark giustifichiamo quasi tutta la massa
visibile dell’universo, perché la materia luminosa è
composta per lo più dai protoni e dagli elettroni delle stelle.
Le masse dei quark spiegano un dettaglio importante della
realtà: il neutrone ha massa leggermente maggiore del
protone[..] in mancanza del bosone di Higgs ,la massa del
protone supererebbe quella del neutrone e il decadimento
beta sarebbe invertito[..]un protone decadrebbe in un
neutrone,un positrone e in un neutrino..
conseguenze
- gli atomi di idrogeno non esisterebbero,
- Nei primi istanti dell’universo si sarebbero prodotti nuclei
leggeri,che però non avrebbero formato atomi come i
nostri.
- Poiché il raggio di un atomo è inversamente
proporzionale alla massa dell’elettrone, se l’elettrone
avesse massa nulla, gli atomi che nel nostro universo
hanno un diametro di un nanometro sarebbero
infinitamente grandi. Anche se altri effetti dotassero gli
elettroni di massa minuscola,gli atomi sarebbero
macroscopici.
- Un mondo senza atomi compatti sarebbe un mondo
privo di chimica e di composti stabili come i nostri solidi e
liquidi.
Simmetria di gauge
da Universo elegante
La Relatività generale permette di affermare che tutti gli
osservatori sono sulle stesso piano,indipendentemente dal
loro stato di moto: anche quelli che sembrano di moto
accelerato possono sostenere di essere a riposo,dal loro
punto di vista perché possono attribuire la forza che avvertono
a un campo gravitazionale. In questo senso la gravità impone
la simmetria,perché assicura l’equivalenza di tutti i possibili
sistemi di riferimento.. Anche le altre tre forze impongono
qualche tipo di simmetria, anche se in questo caso il discorso
si fa molto più astratto[…]
Dati sperimentali dimostrano che nelle interazioni fra quark c’è
una simmetria, ovvero le interazioni tra due quark dello stesso
colore sono tutte identiche e lo stesso vale per le interazioni
fra quark di colori diversi… Se i tre colori dei quark fossero
trasformati in un modo particolare… e anche se questa
trasformazione avvenisse in modo diverso da momento a
momento e da punto a punto,le interazioni fra quark non ne
sarebbero toccate
• Come la sfera ha simmetria di rotazione , così
affermiamo che l’universo ha una simmetria associata
alla forza forte:le leggi fisiche sono inalterate da questi
spostamenti di carica forte. Per ragioni storiche si dice
che questa è una simmetria di gauge.
• Il termine fu introdotto da Hermann Weyl che stava tentando
intorno agli anni venti del secolo scorso di formulare una teoria
che unificasse elettromagnetismo e teoria della relatività.
Propose una teoria che risultava invariante rispetto ad arbitrarie
dilatazioni o contrazioni dello spazio e dovette introdurre in ogni
punto dello spazio un campione separato di lunghezza e di
tempo. Lui usò come blocchetti di riscontro (gauge) quelli usati
dai meccanici come campioni di lunghezza
• Comunque ..nonostante la gravità e la forza forte
abbiano proprietà assai diverse[..]hanno un compito
simile:sono necessarie a far si che l’Universo abbia
certi tipi di simmetria. Il discorso può essere ripetuto
per la forza debole e quella elettromagnetica,la cui
esistenza è legata ad altri tipi di simmetrie di gauge
Forza elettrodebole da Universo elegante
La forza elettromagnetica e la forza debole sono unificate in
modo naturale nella descrizione teorica dei campi
quantistici,anche se le loro manifestazioni sembrano del
tutto separate nel mondo ordinario. La debole svanisce
appena si lascia il mondo subatomico,mentre quella
elettromagnetica ha cospicue manifestazioni
macroscopiche:la luce,i segnali radio,la televisione,etc..
Glashow,Salam e Weinberg hanno dimostrato che a
temperature e a energie molto elevate-come quelle presenti
una frazione di secondo dopo il Big bang-le due forze si
dissolvono l’una nell’altra,assumono caratteristiche che le
rendono indistinguibili e danno origine ad un campo che si
chiama precisamente elettrodebole
Quando la temperatura cala,come è successo
costantemente dopo il big bang,le due forze si cristallizzano
in modi diversi a partire dalla loro forma comune-attraverso
un processo di rottura della simmetria-e quindi appaiono
distinte nel freddo universo in cui noi viviamo
La rottura della simmetria
da le Scienze aprile 2208
• Il fatto che, come pensano i fisici ,che
l’elettromagnetismo e la forza nucleare debole siano
simmetriche,ma la loro simmetria sia nascosta, fa
parlare loro di rottura della simmetria.
• Per cercare di capire in cosa consiste la simmetria
elettrodebole partiremo con un esempio che presenta
alcune analogie: la simmetria magnetica spaziale.
Consideriamo una limatura magnetica formata da dipoli
che riempie lo spazio. In questo caso la simmetria è
l’equivalenza di tutte le direzioni spaziali. Alle alte
temperature la simmetria è evidente. Il calore orienta i
dipoli in tutte le direzioni
Quando la temperatura diminuisce drasticamente i
dipoli si bloccano l’uno con l’altro. Sebbene il loro
allineamento può sembrare più ordinato, è meno
simmetrico,perché assume casualmente una
direzione precisa rispetto le altre.
La simmetria elettrodebole è più astratta, implica la
libertà di decidere quali particelle tra i leptoni sono
elettroni e quali sono neutrini o come etichettare i
quark up e i quark down. In caso di simmetria la
convenzione che decide il tipo di leptone è stabilita in
ogni punto dello spazio.
Quello che per una persona è un elettrone,per un’altra
potrebbe essere una combinazione di un elettrone e di
un neutrino e non ci sarebbe differenza nelle loro
previsioni. La simmetria elettrodebole rende prive di
massa tutte le particelle della forza elettrodebole.
Con la rottura della simmetria,la convenzione è
stabilita ovunque quello che per una persona è un
elettrone lo è per tutti. È il campo di Higgs a causare
la rottura della simmetria. La rottura della simmetria
dà massa ai bosoni W e Z e quindi riduce il raggio
d’azione
Simmetria CP
•
•
La simmetria CP è una simmetria quasi esatta delle leggi di natura sotto
l'effetto dello scambio tra particelle e le corrispondenti antiparticelle, la
cosiddetta coniugazione di carica (C), e l'inversione delle coordinate
spaziali, o parità (P). In pratica un sistema o un fenomeno fisico esibisce
simmetria CP quando effettuando entrambi i summenzionati scambi si
ottiene ancora un sistema o un fenomeno osservato in Natura: questa
simmetria è considerata più fondamentale delle singole C e P, che risultano
essere grossolanamente violate in tutti i fenomeni fisici dovuti all‘interazione
debole.
A titolo di esempio :
un neutrino esiste in natura (in ottima approssimazione) con un'unica
direzione possibile per il proprio spin : sotto l’effetto della coniugazione di
carica, si otterrebbe un anti-neutrino con la stessa direzione di spin, che in
natura non esiste; analogamente, sotto effetto dell'operazione di parità, si
otterrebbe un neutrino con direzione relativa opposta dello spin, anch'esso
non osservato in natura; effettuando entrambe le operazioni, si ha un antineutrino con spin invertito, che effettivamente esiste.
• Quando la simmetria CP non è rispettata si parla di violazione
della simmetria CP, o in breve di violazione di CP; si tratta della
più piccola violazione di una simmetria fisica nota in natura, e
come tale rappresenta uno dei campi di ricerca più attivi nella
fisica delle particelle elementari.
• La teoria dell‘interazione elettrodebole prevede la possibilità di
violazione CP. Nel 2001 da esperimenti svolti sia presso il CERN
che il Fermilab è stata provato che la violazione di CP è un
fenomeno universale nei processi dovuti alle interazioni
deboli. Non vi è invece alcuna evidenza sperimentale di
violazione della simmetria CP nelle interazioni forti
• La rottura della simmetria CP è di fondamentale importanza
perché dimostra che nelle leggi di Natura esiste una seppur
piccola asimmetria tra la materia e l'antimateria. Questa
asimmetria avrebbe determinato la prevalenza della prima sulla
seconda, e sarebbe per questo che oggi tutto l'universo
osservato consiste di particelle e non di anti-particelle.
• Diversi programmi sperimentali hanno come scopo la ricerca di
anti-particelle primordiali nell'universo.
Interrogativi
Esiste il “bosone di Higgs” ?
Un necessario “pezzo mancante” nella attuale teoria
Il neutrino ha massa ?
Nuova visione della fisica delle particelle
Implicazioni per astrofisica e cosmologia
“Grande Unificazione”
elettro-debole-forte ?
Proseguire sulla strada iniziata da Newton con la
Gravitazione Universale
Super-simmetria ?
Un legame tra particelle di materia (quarks e leptoni) e
particelle vettori di forza (mediatori)
“Onde” gravitazionali ?
Verifica predizione dalla relatività generale
na
nb
Grande
Unificazione
Energia in GeV
Bibliografia e Sitografia
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Brian Greene L’universo elegante Einaudi tascabili
Dizionario di fisica della Oxford University Press ed. Sterling&Kupper
Bergamaschini-Marazzini-Mazzoni Quanti particelle cosmologia Signorelli Ed.
Albert Einstein e altri, Relatività e Spazio Geometria Fisica, Boringhieri, Torino 1967.
Rivista le Scienze Aprile 2008
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http://en.wikipedia.org/wiki/Spin_(physics)
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http://www.unimi.it/indice_analitico/32836.htm
http://webcast.cern.ch/
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http://www.lngs.infn.it/lngs_infn/index.htm?mainRecord=http://www.lngs.infn.it/lngs_infn/conte
nts/lngs_en/research/experiments_scientific_info/
http://it.encarta.msn.com/encyclopedia_761579537/Modello_Standard.html
http://www.bivacco.net/marco/index.php/2007/01/23/il-bosone-di-higgs-spiegato-a-oliver/
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www1.webng.com/liceo/conferenze/campo.pdf