Introduzione MODELLO STANDARD Il Modello Standard riassume le conoscenze attuali sulle particelle fondamentali e sulle forze che interagiscono tra esse. Il Modello Standard descrive in quale modo la materia e' costituita a partire da un insieme di particelle elementari. Il Modello Standard spiega anche in quale modo un altro insieme di particelle, denominate portatori di forza, produce effetti sulle particelle, attraverso differenti tipi di interazione, per formare tutte le strutture del microcosmo. Liceo Scientifico G. Ferraris - EEE CosmicBox Prof. Cottino Prof.ssa Porta 2 Il Modello Standard comprende due tipi fondamentali di particelle: Particelle di materia: 6 quark 6 leptoni Portatori di forza 1 fotone 8 gluoni 3 bosoni I quark ed i leptoni hanno anche la corrispondente anti particella. La differenza più importante tra una particella e la sua corrispondente antiparticella consiste nel fatto che le loro cariche elettriche hanno segno opposto. Il Modello Standard include anche le particelle di Higgs, che si suppone siano responsabili delle differenti masse delle particelle. Liceo Scientifico G. Ferraris - EEE CosmicBox Prof. Cottino Prof.ssa Porta 3 Tutta la materia che noi vediamo intorno a noi e' costituita da quark u, da quark d e da elettroni. Queste tre particelle appartengono alla prima famiglia. Tutte queste famiglie hanno giocato un ruolo importante nei primi istanti di vita dell'universo, ma poi le particelle appartenenti alla seconda e alla terza famiglia sono decadute nelle particelle della prima famiglia. Il Modello Standard suddivide i quark e i leptoni in tre gruppi, denominati famiglie. Nella tabella a sinistra sono mostrate le particelle di materia, con l'indicazione del loro nome, della massa, dello spin e della carica elettrica, espressa in frazioni della carica e dell'elettrone. Osservate come i quark abbiano una carica frazionaria, espressa in unità di e, mentre i tre leptoni hanno tutti la stessa carica elettrica, uguale a quella dell'elettrone Liceo Scientifico G. Ferraris - EEE CosmicBox Prof. Cottino Prof.ssa Porta 4 Tre tipi di forze agiscono nel microcosmo. A questo livello, esse agiscono direttamente sui quark e i leptoni Il Modello Standard descrive i diversi tipi di interazione con l'aiuto delle particelle portatrici di forza. I tre tipi di interazione sono: •L'interazione forte (agisce sui quark; e' mediata dai gluoni) •L'interazione debole (agisce sia sui quark che sui leptoni; e' mediata dai bosoni) •L'interazione elettromagnetica (agisce particelle cariche; e' mediata dai fotoni) sulle C'e' un quarto tipo di interazione che non e' descritta dal Modello Standard: la gravità. Si suppone che essa sia mediata dal gravitone (non ancora scoperto). L'interazione tra singole particelle dovuta alla gravità e' così piccola da risultare trascurabile nella descrizione del microcosmo. Liceo Scientifico G. Ferraris - EEE CosmicBox Prof. Cottino Prof.ssa Porta 5 Tra le particelle che trasportano la forza solo i tre bosoni della interazione debole hanno massa; gli altri, il fotone e gli otto gluoni, sono tutti senza massa. I quark e i leptoni hanno tutti masse diverse. I tre leptoni neutri, i neutrini, hanno una massa molto piccola. Fino a poco tempo fa si riteneva che fossero senza massa. Le masse delle particelle sono indicati in unità di elettronvolt scritto eV. Nel 1905 Albert Einstein derivò un'equazione per il rapporto tra massa ed energia: E = mc2, dove E = energia, m = massa e c = la velocità della luce nel vuoto. L'equazione dice quanta energia è necessaria per creare una particella di massa m . Al contrario una massa m può essere convertita in energia, per esempio, quando una particella ed una anti-particella si distruggono quando si incontrano (annichilazione), o quando una particella instabile decade in altre particelle ed una piccola parte della massa diventa energia. Liceo Scientifico G. Ferraris - EEE CosmicBox Prof. Cottino Prof.ssa Porta 6 Le diverse particelle di materia interagiscono una con l'altra dentro e fuori gli atomi. Questa interazione è mediata dai portatori di forza: il fotone (interazione elettromagnetica), tre bosoni W+ , W- e Z0 (interazione debole) e otto gluoni (forte interazione). La quarta forza nell’universo è la gravità. E’ molto più debole rispetto alle altre forze e non gioca alcun ruolo importante nel mondo delle particelle. Le particelle portatrici di forza possono essere associate con due caratteristiche: la forza ed il range. La forza è una misura delle dimensioni degli effetti della forza e della probabilità di un'interazione. Il range è una misura della zona tipica di effetto della forza. Liceo Scientifico G. Ferraris - EEE CosmicBox Prof. Cottino Prof.ssa Porta 7 Liceo Scientifico G. Ferraris - EEE CosmicBox Prof. Cottino Prof.ssa Porta 8 STABILITA’ DEI NUCLEI Z=numero atomico o di protoni A=numero di massa o di nucleoni N=A-Z numero di neutroni Rapporto neutroni/protoni nei nuclidi stabili. I nuclidi stabili si dispongono in una fascia intorno alla linea (a) che, fino a Z=20 coincide praticamente con la retta n/p=1, poi se ne discosta al prevalere di n su p. Al di fuori della fascia si trovano i nuclidi instabili. Liceo Scientifico G. Ferraris - EEE CosmicBox Prof. Cottino Prof.ssa Porta 9 RADIOATTIVITA’ Perché non esistono nuclei stabili contenenti un numero di neutroni molto più alto del numero di protoni? n p e decadimento β La reazione avviene solo se il numero di neutroni eccede un determinato valore; al di sotto di quel valore il neutrone è stabile. Ciò impedisce l’esistenza di nuclei privi di neutroni (a parte l’idrogeno) ed anche quella di nuclei con numero di neutroni molto inferiore a quello dei protoni Perché non esistono nuclei stabili contenenti un numero di protoni molto più alto del numero di neutroni? 214 84 Po polonio 210 82 Pb piombo 4 2 He decadimento α per A>200 e Z>82 particella Liceo Scientifico G. Ferraris - EEE CosmicBox Prof. Cottino Prof.ssa Porta 10 Ricordiamo che esistono sei diversi quark, raggruppati in tre famiglie. Per ciascun quark esiste poi il corrispondente antiquark (ad esempio, l'antiquark del quark u, l'anti-u). Gli antiquark hanno la stessa massa e la stessa vita media del quark corrispondente, ma carica elettrica di segno opposto. Tutti questi quark interagiscono gli uni con gli altri attraverso le interazioni forti. I quark si combinano insieme per formare particelle denominate adroni (dal Greco hadros = forte). Il nome deriva dal fatto che le interazioni forti entrano in gioco quando gli adroni interagiscono gli uni con gli altri. Gli adroni sono suddivisi in due gruppi di particelle: gli adroni costituiti da tre quark (o tre antiquark) si chiamano barioni (dal Greco baros = pesante), mentre gli adroni costituiti da due quark (un quark ed un antiquark) si chiamano mesoni (dal Greco mesos = medio/mezzo). Non esistono adroni costituiti da un solo quark, ed al momento non ci sono indicazioni dell'esistenza di adroni composti da piu' di tre quark. I nuclei degli atomi dell'Universo sono costituiti dai quark della prima famiglia. Gli altri quattro quark (ed i corrispondenti antiquark) sono utilizzati per costruire particelle a breve vita media, che non esistono nel nostro ambiente naturale: esse sono esistite in grande numero nei primi istanti di vita dell'Universo e vengono oggi prodotte negli esperimenti di fisica, mediante urti di particelle ad alta energia. Liceo Scientifico G. Ferraris - EEE CosmicBox Prof. Cottino Prof.ssa Porta 11 Tutti gli adroni sono costituiti da varie combinazioni di quark ed antiquark. I quark sono tenuti insieme dalle interazioni forti, che sono mediate dai gluoni. Anche se i quark hanno carica elettrica frazionaria, tutti gli adroni hanno sempre carica elettrica intera. Come già ricordato, i barioni sono costituiti da tre quark. I neutroni ed i protoni appartengono a questo gruppo di particelle pesanti e con essi sono formati i nuclei atomici di cui e' costituito il nostro Universo. I quark che costituiscono protoni e neutroni appartengono alla prima famiglia. Il protone e' costituito da due quark up e da un quark down (uud). Il neutrone e' costituito da un quark up e da due quark down (udd). Molte altre combinazioni sono naturalmente possibili (ad esempio, uuu o ddd che costituiscono rispettivamente le particelle Δ++ e Δ-). Anche combinazioni che contengono quark appartenenti alla seconda e alla terza famiglia costituiscono dei barioni, che però hanno una vita media molto breve, ad esempio le particelle Σ (queste particelle più pesanti sono chiamate iperoni). I mesoni, le particelle pesanti con massa intermedia, sono costituiti da un quark e da un antiquark. Due esempi: il mesone pi positivo (u, anti-d) e il mesone K- negativo (s, anti-u). Liceo Scientifico G. Ferraris - EEE CosmicBox Prof. Cottino Prof.ssa Porta 12 La parola lepton deriva dal greco "luce". I sei leptoni sono tutti elementari, nel senso che non si compongono di altri componenti. I leptoni sono l’elettrone (e -), il muone (µ-) e il tau (τ-). Le loro antiparticelle hanno una carica positiva (+1). I tre leptoni neutri sono: l'elettrone-neutrino (νe), il muoneneutrino (νµ) e il neutrino-tau (νt). Anche i neutrini hanno antiparticelle; esse sono diverse dai neutrini attraverso i cosiddetti numeri quantici interni. Liceo Scientifico G. Ferraris - EEE CosmicBox Prof. Cottino Prof.ssa Porta 13 Uno dei leptoni, l'elettrone, è parte del atomo. Dentro l'atomo gli elettroni sono distribuiti intorno al nucleo positivo, formando una "nuvola" di carica negativa, con un diametro di circa 10 - 10 metri. Teoricamente gli elettroni sono considerati puntiformi. Gli esperimenti dimostrano che il diametro è inferiore a 10 - 18 m. Il fisico inglese J. J.Thomson scoprì l'elettrone alla fine del 1890. L'elettrone è stabile, il che significa che non decadono. Se incontra la sua antiparticella, il positrone , può annichilarsi. In questo processo, le masse delle due particelle vengono trasformate in energia sotto forma di fotoni gamma (fotoni di alta energia). Liceo Scientifico G. Ferraris - EEE CosmicBox Prof. Cottino Prof.ssa Porta 14 Il muoni (µ+ e µ-) sono creati dalla radiazione cosmica che bombarda costantemente l'atmosfera terrestre. La maggior parte di questa radiazione è costituita da protoni, che producono nuove particelle (nella maggior parte dei casi pi-mesoni) in collisione con le molecole dell’atmosfera. Queste particelle decadono (tra le altre cose) in muoni. Il muoni decadono rapidamente in altre particelle (e+ , e- e neutrini). Detto dal fisico I. Rabi alla scoperta del muone dato che il muone non si adattava alla teoria delle particelle di quel tempo. La vita dei muoni è così breve (circa 2,2 micro secondi), che i muoni creati da parte della radiazione cosmica ad alta altitudine (alcune decine di chilometri) non dovrebbe avere il tempo per raggiungere la superficie della terra prima di decadere. Ma i muoni possono essere rilevati sulla superficie della terra in rivelatori chiamati camere a nebbia. Ciò può essere spiegato con la dilatazione del tempo, che è una implicazione della teoria della relatività speciale di Einstein (1905). Liceo Scientifico G. Ferraris - EEE CosmicBox Prof. Cottino Prof.ssa Porta 15 La particella tau è stata scoperta negli anni 70 in esperimenti con collisioni di particelle ad alta energia (tra elettroni e positroni con una energia di circa 5 GeV). Le proprietà delle particelle tau sono simili alle proprietà degli elettroni, ma sono di massa molto maggiore (3500 volte superiore). Pertanto, decadono in altre particelle più leggere (altri leptoni o uno o più adroni). La ricostruzione di una traccia elettrone-muone dal rivelatore. I due pesanti leptoni tau decadono in pochi millimetri dal punto di collisione e non possono essere visti direttamente. I neutrini non possono essere visti, solo l'elettrone e il muone vengono rilevati. La particella tau ha vita media di circa 0,3 pico secondi. Non possiamo quindi mai vedere le particelle in tau nelle reazioni ma siamo in grado di individuare le particelle in cui il tau decade e quindi indirettamente concludere che una particella tau è stata creata inizialmente. Liceo Scientifico G. Ferraris - EEE CosmicBox Prof. Cottino Prof.ssa Porta 16 I tre leptoni, l'elettrone, il muone e il tau sono tutte a cariche negativamente (la carica delle loro antiparticelle è ovviamente positiva). Gli altri tre leptoni, i neutrini, sono tra le particelle che sono più difficili da osservare. Essi non hanno carica elettrica ed una piccola massa; reagiscono molto raramente con la materia e sono dunque praticamente inosservabili. I tre leptoni neutri sono: l'elettrone-neutrino (νe ), il muone-neutrino (νµ ) e il neutrino-tau (νt ). Anche i neutrini hanno antiparticelle; esse sono diverse dai neutrini attraverso i cosiddetti numeri quantici interni I punti neri nel grafico sono stati ricavati tramite l’acceleratore LEP al CERN. I punti si trovano sulla linea rossa, che corrisponde all’ipotesi che il numero di famiglie di particelle di materia siano tre. (Source CERN) Esistono in totale sei quark e sei leptoni. I quark e i leptoni sono parte di un descrizione sistematica dei componenti della materia e del modo in cui questi interagiscono. E 'stato dimostrato (vedere la figura a sinistra) che queste particelle non possono essere superiore a dodici raggruppate in tre famiglie. Liceo Scientifico G. Ferraris - EEE CosmicBox Prof. Cottino Prof.ssa Porta 17 Il Modello Standard descrive due tipi di particelle. Un gruppo è formato dalle particelle di materia con quark e leptoni. Il secondo gruppo sono le particelle che trasportano forza, che spiegano come le particelle di materia interagiscono l'una con l'altra. Come prima forza di gravità esclusa, in quanto non si tratta di una parte del Modello Standard. I quattro tipi d’interazione. La riga in alto mostra i portatori di forza per ogni interazione. I portatori di forza sono: •il fotone (elettromagnetismo) •8 gluoni (interazione forte) •3 bosoni (interazione debole) L’ultima riga mostra quali particella di materia sono interessate dalle diverse interazioni Liceo Scientifico G. Ferraris - EEE CosmicBox Prof. Cottino Prof.ssa Porta 18 Immaginate che l'orbita della Luna intorno alla Terra sia disturbata attraverso un collisione con una cometa. Ciò comporta la necessità di una perturbazione sulla terra, che interesserà per esempio, la marea. Secondo la teoria della relatività nessuna informazione può essere trasmessa più velocemente della velocità della luce. La perturbazione sulla terra sarà quindi osservata circa un secondo dopo la collisione con la cometa, che è circa lo stesso tempo che impiega la luce a viaggiare dalla luna alla terra. Una sorta di mediatore di informazioni tra due particelle si rende necessario. Nella figura la perturbazione nel campo di gravità può essere descritta come uno scambio di particelle. Le chiamiamo portatori di forza o particelle di scambio. Il portatore di forza di gravità è chiamato “gravitone". Non è ancora stato osservato. Liceo Scientifico G. Ferraris - EEE CosmicBox Prof. Cottino Prof.ssa Porta 19 L'elettromagnetismo agisce tra particelle elettricamente cariche. La sua particella mediatrice è il fotone che trasmette le informazioni (impulso ed energia) tra particelle cariche. Il fotone non ha carica, ed è anche senza massa. E’ lo scambio di fotoni tra la carica negativa degli elettroni e quella positiva del nucleo che conserva intatto l'atomo e ne determina la sua dimensione. Le dimensioni ridotte dell’atomo sono il risultato di tale interazione relativamente forte. Liceo Scientifico G. Ferraris - EEE CosmicBox Prof. Cottino Prof.ssa Porta 20 I gluoni mediano l'interazione forte. Questa interazione agisce solo tra i quark ed è incaricata di tenere insieme i quark negli adroni ma non possibile osservare un quark libero! Se uno cerca di "tirare fuori" un quark da un adrone l’interazione forte funziona come un elastico. Se uno tira troppo l’elastico si rompe, cioè si crea una nuova coppia quark-antiquark. Insieme con l'iniziale quark, questi quark appena creati formano rapidamente nuovi adroni. Questo processo è talmente veloce uno che non ha il tempo di osservare qualsiasi quark libero. Ciò significa che l’effetto dei gluoni è visibile solo all'interno del barioni e mesoni. L’interazione forte è inoltre responsabile dell’unione dei barioni nel nucleo atomico . L’interazione forte sovrasta la repulsione elettrica tra le cariche positive all'interno del nucleo. Liceo Scientifico G. Ferraris - EEE CosmicBox Prof. Cottino Prof.ssa Porta 21 L'interazione debole è mediata da tre bosoni. A differenza delle altre particelle di scambio tutti e tre hanno massa e due di essi (W+ e W-) sono elettricamente carichi. La forza debole ha anche un’altra caratteristica diversa rispetto alle altre tre forze. Essa non può essere intesa come una forza nel senso tradizionale del termine in quanto è responsabile di molti tipi di trasformazione di particelle. Si può trasformare un quark in un altro e, quindi, per esempio trasformare un neutrone in un nucleo atomico in un protone emettendo un elettrone e un neutrino-elettrone. E’ importante capire che si tratta di un quark nel neutrone che si trasforma in un altro quark (d -> u) e che allo stesso tempo un elettrone e un antineutrino sono creati - non esistono all'interno del nucleo all’inizio del decadimento! L'interazione debole prevede tre particelle di scambio: W+ , W- e Z0 ma in ogni trasformazione solo una di queste è coinvolta. Liceo Scientifico G. Ferraris - EEE CosmicBox Prof. Cottino Prof.ssa Porta 22 Il bosone Z0 della forza debole è elettricamente neutro. A differenza dei fotoni e dei gluoni ha massa; la sua massa è 91 GeV. Il più grande acceleratore di elettroni-positroni (febbraio 2004) è LEP (Large Electron-Positron Collider), al CERN (Centro Europeo di Fisica delle Particelle). E 'stato costruito principalmente per studiare la particella Z0. Questo esempio ricostruito al computer mostra un esempio di una particella Z0 creata in una collisione elettrone-positrone. Dopo la sua creazione rapidamente decade in un quark e un antiquark sotto l'influenza di interazione debole. Entrambi i quark saranno individuati attraverso un getto di adroni che lascia tracce nel rivelatore. Quando la collisione di elettroni e positroni le cui energie sono circa 45,5 GeV le particelle pesanti Z0 di 91 GeV possono essere create. La particella Z 0 poi decade rapidamente (in circa 10 - 24 s) in una coppia di quark (quark-antiquark), o ad una coppia di leptoni (leptone-antileptone) Liceo Scientifico G. Ferraris - EEE CosmicBox Prof. Cottino Prof.ssa Porta 23 l bosoni W+ e W- sono elettricamente carichi e, come la Z0 , sono di massa: 80 GeV. W+ è l'antiparticella di W-. L'immagine mostra un esempio di decadimento di una particella sotto l'influenza dell’interazione debole. Un neutrone si trasforma in un protone; un elettrone e un antineutrino vengono emessi. La W- agisce come un portatore di forza. Nell’universo iniziale molto caldo, sia luce e quark pesanti potrebbero essere stati creati. Con il passare del tempo i quark pesanti decaddero nelle particelle più leggere che vediamo intorno a noi oggi. Queste trasformazioni di particelle sono mediate (tra gli altri) da particelle W, quindi molto comuni nei primi istanti dell’universo. Usando gli esperimenti, ad esempio l’acceleratore LEP al CERN, possiamo ricreare e osservare gli effetti delle particelle pesanti W. Nel decadimento del neutrone, il quarkdown si trasforma in un quark-up e una particella W-. La particella W- si trasforma in un elettrone e un antineutrino-elettrone. Liceo Scientifico G. Ferraris - EEE CosmicBox Prof. Cottino Prof.ssa Porta 24