Introduzione alla Fisica delle
Particelle Elementari
Masterclass 2006
1
Belluno, 1° marzo 2006
Liceo Scientifico “Galilei”
8ne
2
Riassunto della lezione
 Introduzione: generalità, storia, cos‘è la Fisica
delle Particelle Elementari;
 Quali sono le Particelle Elementari;
 Le interazioni fondamentali, il Modello
Standard;
 Verifiche sperimentali del Modello Standard;
 Problemi aperti.
3
La Fisica delle particelle affronta le domande
fondamentali della storia del pensiero:
• Come funziona l’Universo ?
• Da dove nasce ?
• Come evolve ?
• Quali sono i componenti
“fondamentali” della materia?
• Come “si muovono” ?
• Che cosa “li muove” ?
4
Il fisico come filosofo naturale
Rispondere a queste domande non
e’ semplice, occorre individuare:
- i componenti fondamentali della
materia ;
- le forze che ne governano il
comportamento.
5
La Rivoluzione Greca
• Circa 2500 anni fa i filosofi greci
cominciarono a chiedersi:
“di che cosa e’ fatto il mondo?”
E cercarono riposte usando la logica
– Talete di Mileto (600 AC): acqua …
– Anassimene: aria …
– Pitagora: numeri …
– Eraclito: fuoco …
6
– Empedocle:
• Quattro elementi:
Acqua, aria, terra, fuoco
• Uniti o separati da forze “morali”
(amore e odio)…
– Democrito (~400 a.C.):
• Tutto costituito da particelle
invisibili e indivisibili: atomi
• Hanno peso e forma diversa e si
combinano per formare nuove
sostanze
7
Dall’Alchimia alla Chimica
(1780 - 1870)
– Classificazione degli
atomi in base alle
proprieta’ chimiche
8
Mendeleev: evidenza di una “periodicità”
Indicazioni di una struttura comune degli elementi
9
Inizi del Novecento
Sembra che abbiamo trovato proprio gli atomi di
Democrito
Come procedere?
 Importanti leggi guida
 Sviluppo di Relatività e Meccanica quantistica
 Il ruolo guida della matematica
 Il contributo di personaggi geniali
10
Leggi di conservazione
In ogni sistema fisico isolato, si conservano:
 L’energia totale (cinetica+potenziale+cost)
 La carica elettrica totale
 La quantità di moto totale (vettore)
 Il momento angolare totale (vettore)
Teorema di Emmy Nöther: ad ogni invarianza di
un sistema fisico corrisponde una legge di
conservazione; quindi: ad ogni simmetria
(fisica o matematica) del sistema farà
riscontro una quantità conservata.
11
La velocità della luce
 La velocità della luce nel vuoto, c=3x108 m/s,
è la stessa in TUTTI i sistemi di riferimento ed
è la massima raggiungibile da una particella o
da un segnale fisico.
 Ne consegue che gli intervalli spaziali s e
temporali t non sono più gli stessi se
misurati in diversi s.r.i. (dilatazione dei tempi,
contrazione delle lunghezze, relatività della
simultaneità).
 Il tutto si può dedurre dalle già note
Trasformazioni di Lorentz dello spazio-tempo
12
L’energia relativistica E=mc2
 E = mc2
Nuove quantità invarianti:
 I2=(c2t2 - x2 - y2 - z2), intervallo
spaziotemporale tra due eventi
 p2=(E2/c2 –px2 - py2 - pz2), quadrimpulso della
particella
 E2 - p2c2 = m2c4
13
La Meccanica quantistica
 Sviluppata tra il 1900 e il 1926
 Descrive il mondo a livello atomico (e la luce)
in un modo imprevedibile per un fisico
classico
 Contributo di grandi personaggi: Planck,
Einstein, Bohr, de Broglie, Schrödinger,
Heisenberg, Born, Dirac…
14
Enrico Fermi (1901-1954)











Fermilab a Chicago
1 fermi = 1 fm = 10 -15 m (raggio di un protone)
Fermio (elemento chimico con Z = 100)
Teoria del decadimento beta di Fermi
Statistica di Dirac-Fermi, (si riferisce ai fermioni)
Costante di Fermi
Gas di Fermi (gli elettroni di conduzione si
comportano come un gas rarefatto)
Energia di Fermi (conduzione elettrica nei metalli)
Livello di Fermi (conduzione elettrica nei metalli)
Velocità di Fermi (conduzione elettrica nei metalli)
Fermioni (bosoni)
15
Ruolo della Matematica
 Sempre più importante
 Sempre più sofisticata
 Sempre più difficile
 Una guida sicura
 Spiegazioni e previsioni
 Simmetrie
16
Che cosa vuol dire elementare?
• Elementare = privo di struttura, non
composto da altri oggetti piu' piccoli;
• Elementare = alla base di tutto cio' che
ci circonda, tutte le interazioni che
osserviamo in Natura sono esprimibili
tramite le interazioni dei costituenti
elementari o fondamentali;
• Come facciamo a sapere se un
oggetto e' elementare oppure no?
17
L’elettrone
 La scoperta di J.J. Thomson, 1897
 L’esperimento di Millikan, 1911
 Proprietà particellari “classiche”:
 Massa:
0,511 MeV/c2 = 1 me
 Carica:
-1,602 x 10-19 C = - 1 e
 Proprietà ondulatorie “quasi classiche”:
 Energia
E=hf
 Quantità di moto o impulso
p = h/
 Proprietà quantistiche:
 Momento angolare orbitale
L = nh
 Spin
s=½
 Numero leptonico
L=1
18
Situazione attuale
 Per quanto ne sappiamo oggi, l’elettrone è
puntiforme e non mostra indizi di struttura
interna: è davvero elementare
19
L’atomo è fondamentale?
Come osservarlo?
 Microscopio? La luce
'ordinaria' non va bene:
la sua lunghezza d'onda
(~0.5 m) e' molto
maggiore delle
dimensioni degli atomi
(~1 nm);
 Dobbiamo utilizzare
delle sonde
sufficientemente piccole
e penetranti.
20
L’esperimento di Rutherford (1910)
• 'Proiettili': particelle alfa
emesse da una sorgente
radioattiva;
• 'Bersaglio': una sottile
lamina d'oro;
• Metodo sperimentale:
misura dell'angolo di
deflessione delle
particelle
alfa dopo
l'attraversamento della
lamina d'oro;
21
Risultato sorprendente
La maggior parte delle particelle alfa passava attraverso la lamina senza subire
notevoli deflessioni, come previsto da modello di Thompson...
...ma alcune particelle alfa venivano deflesse di angoli elevati, fino quasi a 180°
Interpretazione del risultato:
l'atomo e' costituito da un nucleo di carica positiva molto piccolo (10.000 - 100.000
volte rispetto alle dimensioni dell'atomo) e gli elettroni orbitano attorno ad esso.
22
Il nucleo è fondamentale?
 Restò allora da approfondire l’indagine sul
nucleo atomico: capire se esso fosse divisibile
e, se tale, quali forze ne impediscano la
disgregazione.
 Fondamentale fu l’osservazione, lo studio e
infine la comprensione dei meccanismi della
radioattività
 Intorno al 1926, la presenza nel nucleo di
particelle positive, i protoni, in eguale numero
rispetto agli elettroni, era accertata. Si
osservava tuttavia una certa non linearità fra i
pesi ed i numeri atomici (Z), colmabile solo
postulando la presenza di una seconda
particella elettricamente neutra, ma di massa
quasi eguale a quella del protone.
 La prima osservazione diretta del neutrone
avvenne nel 1932.
23
Un nuovo livello
 1897
 1919
 1930
 1932
scoperta dell’elettrone
scoperta del protone
Pauli postula l’esistenza del neutrino,
osservato nel 1956
scoperta del neutrone
Abbiamo trovato le particelle elementari, tutto
risolto? …oppure no?
24
La potenza del modello
Chemistry can be understood in the physics of
3 particles (proton, neutron and electron), and
the influence of the electromagnetic force.
Nuclear physics can be understood in the
physics of 4 particles (proton, neutron,
electron and electron neutrino), and the
influence of the strong and weak nuclear
forces together with the electromagnetic
force.
25
La Fisica delle Particelle Elementari
• La Fisica delle Particelle Elementari, dicevamo,
tenta di rispondere alle seguenti domande fondamentali:
 Quali sono i componenti ultimi della materia?
 Come si muovono?
 Che cosa li muove?
 Di che cosa è fatto l’Universo?
 Come ha fatto l’Universo a diventare quello che è?
• La risposta a queste domande viene ricercata tramite
un'indagine teorica e sperimentale degli oggetti piu' piccoli a
noi accessibili
• Qual e' il suo 'laboratorio'?
 raggi cosmici
 acceleratori di particelle
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Microcosmo e macrocosmo
 L'infinitamente piccolo si sposa con l'infinitamente
grande...
 Nei primissimi istanti dell'Universo, molecole, atomi e
nuclei atomici non esistevano. Il tutto era un brodo
primordiale di particelle che interagivano e si
annichilivano tra di loro;
 Comprendere le interazioni tra le particelle nei
primissimi istanti di vita dell'Universo e' fondamentale
per capire la struttura del nostro Universo;
 Nuovo campo di ricerca:
la Fisica Astro-Particellare...
27
Indizi dell'esistenza di un mondo più vasto...
• Scoperta del muone (), 1937:
una nuova particella
presente in abbondanza nei
raggi cosmici che
non si sapeva dove collocare;
• Scoperta del positrone (e+)
1933: questo risultato era
previsto dall'equazione di Dirac
formulata pochi anni prima: ad
ogni particella corrisponde
un'antiparticella
avente massa e spin uguali
28
Una sorgente naturale di particelle
 I fisici delle particelle scoprirono ben presto che in natura vi era
una copiosa sorgente di particelle di alta energia: i raggi cosmici
 I raggi cosmici sono particelle cariche di alta energia, soprattutto
protoni, che provengono dallo spazio e arrivano fino alla
superficie atmosferica della terra. Collisioni fra raggi cosmici e
molecole di aria avvengono continuamente …
 Lo studio delle interazioni dei raggi cosmici porto’ alla scoperta
di un grande numero di nuove particelle:
– 1931 - Il positrone (e+)
– 1936 - il muone ()
– 1947 - Pioni, kaoni, iperoni…
29
Acceleratori
 Nel 1931 Ernest
Lawrence costruisce la
prima macchina
acceleratrice che
impiega un campo
magnetico per spingere
le particelle in un'orbita
a spirale di raggio
crescente con l'energia
30
Esperimenti agli acceleratori
 Fascio di particelle cariche (protoni o
elettroni) accelerato contro un
bersaglio fisso: produzione di nuove
particelle e studio delle proprieta' del
bersaglio (cfr. Rutherford);
 due fasci di particelle vengono fatti
collidere uno contro l'altro: massima
efficienza per la produzione di
particelle molto piu' massicce dei
proiettili usati (E = mc2!);
 L'uso degli acceleratori di particelle e'
di fondamentale importanza per lo
sviluppo dell'indagine sperimentale:
permette di superare i limiti di energia
ed intensita' posti dalla natura dei
raggi cosmici.
31
Una valanga di nuove particelle
 Con i nuovi acceleratori di
particelle e nuovi rivelatori
(camera a bolle) a disposizione i
fisici negli anni 1950 scoprirono
circa 200 particelle. Per
identificare queste particelle, le
hanno chiamate con i nomi delle
lettere degli alfabeti greco e
latino.
 Naturalmente, le hanno
classificate in: mesoni,
iperoni,... a seconda della loro
massa e delle modalità di
decadimento.
32
Un paziente lavoro di catalogazione
33
Come procedere?
 Le nuove particelle sono tutte instabili: hanno
una vita media compresa fra 10-6 s e 10-23 s;
 Cosi' tante particelle non possono essere
tutte fondamentali, ci deve essere qualcosa
sotto... ;
 Per trovarlo puo' essere utile ripercorrere la
strada compiuta da Mendeleev: ricerca di
regolarità che diano qualche indizio su una
struttura interna a queste particelle
34
Come nasce il Modello Standard
 The Standard Model Theory (SM) of particle
physics provides a framework for explaining
chemistry and nuclear physics (low energy
processes).
 It additionally provides an explanation for
sub-nuclear physics and some aspects of
cosmology in the earliest moments of the
universe (high energy processes).
35
Un po’ di ordine!
Nel 1961 Gell-Mann & Ne’eman ebbero per la fisica delle particelle lo
stesso ruolo di Mendeleev 100 anni prima con gli atomi “fondamentali”
36
Dall’ordine ai costituenti fondamentali
 Proprio come l’ordine della tavola periodica era
dovuto ai tre componenti fondamentali, cosi’ GellMann e Zweig proposero che tutti gli “adroni” fossero
costituiti da tre oggetti che vennero chiamati “quarks”:
UP, DOWN, STRANGE
I quark hanno cariche elettriche pari a 2/3, -1/3. -1/3 della carica dell’elettrone
p uud
n udd
π+ ud
π0 uu
π- du
Δ++ uuu
Δ+ uud
Δ0 udd
Δ- ddd
Ω- sss
K+ us
K0 ds
K- su
K0 sd
37
Il quark incanto charm
 Il quark incanto (c) fu introdotto nel 1974 per spiegare alcune
particolarità di una nuova particella allora scoperta, il mesone J
(o Ψ). Cercando di costruirla con i quarks allora disponibili, u d
s, ci si accorse che era impossibile.
Barioni con spin = 1/2
Barioni con spin = 3/2
38
I quarks Top e Bottom
 1977: scoperta del b
 1994: scoperta del t
Ci sono 5 ordini di grandezza
fra la massa del quark piu’
leggero (up) e quello piu
pesante(top)!
39
Dove sono i quarks?
 Questa descrizione e’ molto interessante, ma
i quark dove sono ?
 Proviamo a ripetere l’esperimento di
Rutherford ad energie MOLTO piu’ alte …
elettroni
protoni
Gli esperimenti confermano la loro esistenza
(ma i quarks liberi non esistono).
40
Fermioni o bosoni?
1. Particelle con spin semintero sono chiamate
fermioni. Obbediscono al Principio di esclusione di
Pauli
 Esempi: (tutti i leptoni e i quarks), elettrone ½,
protone ½, neutrone ½, neutrino ½, muone ½,
(quarks) ½, (leptoni) ½
2. Particelle con spin intero sono chiamate bosoni.
Qualsiasi numero di bosoni può essere assegnato a
uno stesso stato quantico. Sono “socievoli” e
producono un “condensato” di bosoni
 Esempi: fotoni 1, gluoni, W e Z, Gravitone, atomi con
spin zero (elio), pioni 0, (tutti i mediatori delle forze)
41
Adroni o leptoni?
1. Adroni: particelle su cui agisce la forza forte
(protoni, neutroni, pioni)
 Alcuni sono mesoni e bosoni, per esempio il
pione
 Altri sono barioni e fermioni, per esempio il
protone e il neutrone.
2. Leptoni: particelle su cui non agisce la forza
forte
 Esempi: Elettroni, muoni, tauoni, neutrini.
42
Particelle o antiparticelle?
 • Per ogni particella (materia) c'è la corrispondente
antiparticella (antimateria).
– Un'antiparticella è identica alla sua particella sotto
ogni aspetto, tranne che per la carica, che è opposta.
– Per esempio: il protone ha carica elettrica positiva,
e l'antiprotone ha carica elettrica negativa; ma hanno
la stessa identica massa, perciò sono soggetti alla
gravità nella stessa identica maniera.
 Quando una particella e la sua antiparticella si
incontrano, si annichilano in energia pura.
43
Quarks
I Quark sono 6 (+ 6 antiquark)
possono assumere 3 stati quantici chiamati colore, hanno carica
+2/3 (u, c, t) e -1/3 (d, s, b)
44
Gli Adroni
 Si dividono in:
1. Mesoni (spin intero)
2. Barioni(spin semidispari)
 sono privi di colore
45
I Leptoni
 I Leptoni sono 6 (+ 6
antileptoni)
 sono privi di colore,
 hanno carica
0 (νe, νμ, ντ) e -1 (e, μ, τ)
• Il leptone carico più conosciuto è l'elettrone (e). Gli altri due leptoni carichi
sono il muone (μ) e il tau (τ)
– Muone e tau sono repliche dell’elettone con massa piu’ grande
• I leptoni neutri si chiamano neutrini:
– c’e’ un neutrino corrispondente a ogni leptone carico
– hanno massa molto piccola (ma non nulla)
46
Le Forze
 L'universo che conosciamo
esiste perché le particelle
fondamentali interagiscono:
– decadono
– si annichilano
– reagiscono a forze legate alla
presenza di altre particelle
(per esempio nelle collisioni).
 Ci sono quattro interazioni
(forze) tra le particelle:
– Gravita’
– ElettroMagnetica
– Forte
– Debole
47
I mediatori di forza
 Per risalire alla natura delle forze bisogna studiare le interazioni
fra particelle materiali
 Consideriamo la vignetta:
– Il giocatore ha afferrato un pallone invisibile e viene spinto
indietro dall’impatto.
– il pallone non e’ visibile, ma e’ visibile l’effetto della sua
presenza
48
I mediatori di forza
 Tutte le interazioni (o forze)
che riguardano le particelle
materiali sono dovute ad uno
scambio di mediatori di
forza.
– Riprendendo l'immagine di
prima:
 i giocatori == particelle
materiali
 pallone == particella
mediatrice di forza.
 Quelle che noi chiamiamo
comunemente "forze" sono
gli effetti dei mediatori di
forza sulle particelle
materiali.
49
Gravità
 La forza gravitazionale è probabilmente la forza che ci è più familiare:
– non è compresa nel Modello Standard perché i suoi effetti sono
piccolissimi nei processi tra le particelle
•Anche se la gravità
agisce su ogni cosa, è una
forza molto debole
qualora le masse in gioco
siano piccole
•La particella mediatrice di
forza per la gravità si
chiama gravitone: la sua
esistenza e’ prevista ma
non e’ ancora stata
osservata.
50
Elettromagnetismo

Molte delle forze che sperimentiamo ogni
giorno sono dovute alle interazioni
elettromagnetiche nella materia: la carica
elettrica (positiva/negativa) e il
magnetismo (nord/sud) sono diverse
facce di una stessa interazione,
l'elettromagnetismo.

La particella mediatrice dell'interazione
elettromagnetica si chiama fotone.

In base alla loro energia, i fotoni sono
distinti come: raggi gamma, luce (visibile),
microonde, onde radio, etc.

L’evidenza che le onde elettromagnetiche
sono composte da pacchetti di energia
chiamati fotoni si ebbe nel 1905 con
l’interpretazione da parte di Einstein
dell’effetto fotoelettrico
51
Interazione forte
 I quark hanno una carica di un nuovo tipo: è stata
chiamata carica di colore. L’intensita’ della carica di
colore aumenta all’aumentare della distanza.
 Tra particelle dotate di carica di colore l'interazione è
molto forte, tanto da meritarsi il nome di interazione
forte. La sua particella mediatrice è stata chiamata
gluone: perche’ “incolla” i quark fra di loro
 D: Perche’ la repulsione elettromagnetica fra i protoni del
nucleo non fa esplodere il nucleo dell’atomo ?
 R: Possono scambiarsi gluoni anche quark appartenenti
a diversi protoni. Ne risulta una forza residua come la
forza di Van der Waals tra le molecole. L’ attrazione tra
protoni dovuta alla forza forte e’ meno intensa rispetto
all’attrazione tra quarks nel protone, cio’ rende possibile
l’esistenza di protoni liberi ed instabili alcuni nuclei
pesanti.
52
Mai quark liberi
 La forza di colore cresce al crescere delle distanze
 Cosa succede se si cerca di “spezzare” un adrone?
– Se uno dei quark di un adrone viene allontanato dai
suoi compagni, il campo di forza di colore "si allunga"
per mantenere il legame.
– In questa maniera cresce l'energia del campo di forza
di colore, e cresce quanto più vengono allontanati i
quark tra loro.
 Se per esempio l’energia del campo di colore cresce,
può raggiungere un valore E=mc2 sufficiente per
creare un’altra coppia quark-antiquark
53
Come si “vedono” i quark
 Negli anni ‘70, nelle
I gluoni e i quark si materializzano
in “getti”(ing: jet) di particelle
collisioni elettronepositrone ad alta energia,
si osservano dei “getti” di
energia, associabili alla
presenza di gluoni dovuti
dalla forza nucleare forte
che si origina dalle
interazioni tra quark. E’ la
manifestazione piu’
spettacolare del
“confinamento”.
54
La forza debole
 La prima teoria della forza
nucleare debole e’ dovuta a
Fermi (1934) ed era basata
sull’interazione in un unico
punto di 4 particelle.
Permetteva di spiegare e
descrivere i decadimenti del
muone e del neutrone.
 Analogamente alla forza
Elettromagnetica mediata
dal fotone, e’ stata introdotta
una descrizione quantisticarelativistica ove comparivano
i mediatori W+ e W-, dotati di
grande massa.
55
Teoria ElettroDebole
 La teoria che descrive i mediatori della forza debole include
anche l’elettromagnetismo ed assume il nome di teoria
elettrodebole.
 Le equazioni che la descrivono sono ricavate imponendo delle
leggi di invarianza:


simmetria di ipercarica UY(1)
simmetria di isospin sinistro SUL(2)
 SUL(2) e UY(1) sono trasformazioni dei campi Ψ(x,y,z,t) (che
descrivono lo stato delle particelle). Le leggi del moto devono
essere invarianti per tali trasformazioni.
 La teoria risultante descrive correttamente il comportamento del
mediatore dell’elettromagnetismo γ elettrodebole e dei mediatori
carichi della forza debole W+, W- . Prevede anche un mediatore
neutro Z0 non introdotto nella prima descrizione della forza
debole perche’ i suoi effetti sono poco visibili a basse energie.
56
Teoria ElettroDebole
 L’applicazione delle sole leggi di invarianza descritte in precedenza ha




un difetto: prevede solo particelle e mediatori privi di massa (e’
corretta ad energie sufficientemente elevate da poter trascurare le
masse)
L’introduzione di un campo aggiuntivo (campo di Higgs) e di una
trasformazione chiamata “Rottura spontanea di Simmetria” permette di
passare ad una descrizione in cui le particelle (quark e leptoni) ed i
mediatori della forza debole risultano essere massivi. Il fotone resta
privo di massa.
Le masse dei mediatori, previste dalla teoria stessa sono circa 100
volte la massa del protone:
MW  80 GeV, MZ  90 GeV Scoperte nel 1983! E con la massa
prevista
La W e la Z hanno una vita media brevissima, ma possono essere
identificate tramite i loro prodotti di decadimento, anche essi predetti
dalla teoria elettrodebole
57
Il Modello Standard
 E’ l’attuale descrizione delle interazioni
elettro-deboli e forti dei costituenti
fondamentali della materia quarks e leptoni,
oggetti “puntiformi” di spin ½.
 E’ basata su due teorie di invarianza:
QCD (Quantum CromoDynamics): gruppo di
summetria SU(3) di “colore”
 QEWD (Quantum ElectroweakDynamics):
gruppo di simmetria SU(2)xU(1)

58
Il Modello Standard
 La sua bellezza sta
nella capacità di
descrivere:
– tutta la materia
– tutte le forze
dell'universo
(escludendo per ora la
gravità)
59
60
Le generazioni della materia
 Quarks e leptoni sono
organizzati in tre “famiglie”:
– tutta la materia visibile
nell’universo e’ costituita dalla
prima generazione.
– Le particelle della II e III
generazione sono instabili e
decadono in particelle della I.
 Ci sono altre generazioni?
– Non si sa il perche’ di queste
“repliche”…sorprese sono
ancora possibili…
– Sperimentalmente pare di no
61
Verifica del Modello Standard
 Negli anni ’90, i dati raccolti
al LEP studiando il
decadimento del bosone Z,
ci permettono di determinare
con grande precisione il
numero di neutrini (e quindi il
numero di generazioni) e di
escludere con certezza la
presenza di neutrini
“anomali”. Una ulteriore
conferma del Modello
Standard
La curva corrispondente ad
un numero di generazioni pari a tre
descrive meglio la curva!
62
Il precedente limite era basato su considerazioni cosmologiche
Decadimenti della Z0
 La Z° può decadere in 5 modi diversi, ciascuno con
una sua probabilità:

p=0,20 (invisibile)
 
e e
 

Z0
 

 
qq
p=0,0337
pv= 0,0421
p=0,0337
pv= 0,0421
p=0,0337
pv= 0,0421
p=0,699
pv= 0,8738
qq comprende le seguenti 5 possibilità: uu dd ss cc bb
( tt escluso in quanto mt>MZ)
63
64
Il bosone di Higgs
 La teoria di Glashow, Weinberg e Salam
(detta anche Modello Standard) prevede
anche un campo chiamato di Higgs.
 Le interazioni di questo campo con le
particelle sono all’origine della massa di
quest’ultime. La domanda:
- “perche’ la particella X ha massa mX?”
si puo’ tradurre in:
- “perche’ la particella X ha un’interazione
di intensita’ gX con il campo di Higgs?”
 Il campo di Higgs puo’ anche interagire con
se stesso. quindi i quanti di questo campo
(detti Higgs, o bosoni di Higgs) sono essi
stessi dotati di massa.
 Purtroppo l’intensita’ dell’auto-interazione
(e quindi la massa dell’Higgs) e’ un
parametro libero della teoria: a priori non
abbiamo idea della minima energia
necessaria per materializzare un Higgs dal
vuoto.
65
Il Modello Standard: ci siamo?
 Non si conosce alcun mesone o barione le cui
proprietà non possano essere interpretate per mezzo
di un’adeguata combinazione di quark.
 Inversamente: non esiste alcuna combinazione
possibile di quark alla quale non corrisponda un
mesone o un barione noto.
 Aspetto estetico: il pregio della semplicità
 Allo stato attuale delle conoscenze, queste due
famiglie, i quark e i leptoni, sembrano proprio
essere particelle elementari, senza struttura
interna.
66
L’unificazione delle forze
67
Un problema aperto
indietro nel tempo ~ energie maggiori
68
Le forze forte, elettromagnetica, debole, e gravitazionale unificate a grandi energie?
Altri problemi aperti
 Alcuni buoni motivi per credere che il Modello Standard sia una
(buona) approssimazione di qualcosa di piu’ complesso:
– non spiega la gerarchia delle masse
– non include la gravitazione
– non spiega la dominanza di materia nel nostro Universo
– non suggerisce una soluzione al problema della Materia
Oscura nell’Universo
– perche’ 3 famiglie?
– troppi parametri
– ....
 Varie teorie cercano di superare questi problemi:
– GUT, SUSY, Technicolor, Compositeness, Superstringhe.
– Purtroppo nessuna di queste ha una qualche conferma
sperimentale…
69
La “Big Picture”
 Il Modello Standard descrive tutto cio cio’ che che
abbiamo finora osservato con grande precisione!
 L’idea e’ di andare ad energie sempre maggiori per
ottenere un panorama più completo
 C’e’ bisogno di nuovi esperimenti ed idee!
…l’avventura continua!
70
Ringraziamenti
 Prof. Ezio Torassa
 Prof. Alessandro Gaz
 Prof. Francesco de Sabata
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Siti web consultati
http://www.cern.ch
http://www.ps.lnf.infn.it.divulgazione
http://www.anl.gov
http://www.fnal.gov
http://www.lbl.gov
http://www.phy.bnl.gov
http://www2.slac.stanford.edu
Materiale fotografico: CERN, FERMILAB,
Lawrence Berkeley Lab’s e SLAC
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