Il Modello Standard
Domizia Orestano
Università Roma Tre
Master Classes 9/3/2005
9/3/2005
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Sommario
La ricerca dei costituenti elementari della materia
Tre famiglie di mattoni elementari
Quattro forze fondamentali: mediatori e cariche
L’antimateria e l’annichilazione materiaantimateria
Decadimenti (Z0 e t)
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Gli atomi
• John DALTON (1766-1844) per spiegare le osservazioni sul comportamento
dei gas formula l’ipotesi che gli elementi siano composti di particelle
indivisibili: gli atomi.
• Dimitri MENDELEÏEV
(1834-1907) organizza tutti
gli elementi allora noti in uno
schema che mette in
evidenza la periodicità delle
loro proprietà.
• L’esistenza di una simmetria
è un indicatore di una
possibile struttura interna!
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La struttura atomica
1895-1900:
scoperta dei raggi X (W.Roentgen)
scoperta della radioattività naturale (P.&M. Curie, H.Becquerel)
scoperta dell’elettrone (J.J.Thomson)
L’atomo non è indivisibile!
Il modello atomico di Thomson:
Un numero Z di elettroni
Una distribuzione continua di cariche positive
L’esperimento di Rutherford:
?
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Il modello atomico di Bohr
Un nucleo carico positivamente (+Ze) in
cui si concentra praticamente tutta la massa,
circondato da una nuvola di Z elettroni.
L’atomo e` in gran parte “vuoto”:
in un modello in scala in cui il nucleo è un pallone da
calcio, gli elettroni si muovono sulla parte piu` lontana
delle tribune
NB: Se il Colosseo fosse “pieno”,
misurerebbe… 18 mm !!!!
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Il nucleo atomico
Esistenza degli isotopi (elementi con lo stesso numero di
elettroni ma diversa massa)
Problemi con il momento angolare intrinseco (spin) dei nuclei
Ma in presenza della
sola forza
elettromagnetica non
potrebbe essere stabile!
Anche il nucleo è un
sistema composto da
Z protoni e da (A-Z)
neutroni
E’ tenuto insieme dalla interazione forte.
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Una miriade di nuove particelle
Dagli anni ’30 in poi sono state scoperte tantissime nuove
particelle, nelle interazioni dei raggi cosmici e dei fasci
prodotti dagli acceleratori
Si distinguono due categorie principali
Leptoni, che non interagiscono in modo forte
Adroni, che risentono della forza forte
Gli adroni possono
essere classificati in
sistemi dotati di
simmetrie
Anche in questo caso
potrebbe esserci una
struttura interna!
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I mattoni elementari: quark e leptoni
massa
Modello a quark introdotto per giustificare le simmetrie
osservate. Carica elettrica frazionaria. Tre stati diversi
(colori) per ogni quark. Adroni composti da 3 quark o
da coppie quark-antiquark.
Non si osservano quark liberi:
sono confinati all’interno degli adroni
Sia per i quark che per i leptoni sono presenti tre
famiglie o generazioni apparentemente con le stesse
proprietà ad eccezione della massa
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Materia
ordinaria
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I costituenti della materia
taglia in atomi
taglia in metri
atomo
nucleo
nucleone
Lo spazio è quasi
completamente
vuoto: sono le
forze che
realizzano la
solidità degli
oggetti
quark/elettrone
(al max)
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Le forze o interazioni
Tutte le forze osservate in natura
sono riconducibili a
4 interazioni fondamentali
Mediate dallo scambio di
particelle
Responsabili
della coesione della materia
del suo decadimento
Intensità:
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L’interazione avviene grazie allo scambio di particelle
10-38
10-5
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10-2
1
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Le cariche
L’intensità di una interazione tra particelle dipende dalla costante di
accoppiamento (carica) tra queste e la particella mediatrice
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Antiparticella
Ipotesi formulata da DIRAC (1931)
Un oggetto con stesse caratteristiche della particella
corrispondente ad eccezione della carica elettrica che
cambia segno (e dei momenti magnetico ed elettrico)
ANDERSON scopre l’antiparticella dell’elettrone, il
positrone, nel 1932
Tutte le particelle hanno un’antiparticella (e+, m+, n, p…)
che in alcuni casi coincide con la particella stessa (p0, g)
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Annichilazione
Negli anelli di collisione vengono fatti incontrare fasci di
elettroni e di positroni (o di protoni).
L’interazione di una particella con la sua antiparticella porta
alla loro annichilazione ovvero al trasferimento di tutta la loro
massa e la loro energia cinetica ad uno stato virtuale, ed in
particolare ad un fotone o ad uno Z0. A LEP l’energia dei fasci è
stata scelta per produrre bosoni Z0 reali.
Dopo un tempo molto breve lo stato virtuale produce
nuovamente una coppia particella-antiparticella.
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Decadimenti
Quasi tutte le particelle elementari sono instabili
Decadono in particelle di massa inferiore con
tempi caratteristici che dipendono dall’interazione
responsabile della disintegrazione
Esempio: decadimento del K+ in p++p0
osservazione
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interpretazione
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Decadimenti dello Z0
Nel misterioso mondo quantistico in cui vivono le particelle, ogni
singola particella Z deve decadere, ma è impossibile sapere in anticipo
in quale tipo di particelle decadrà. Tutto ciò che si può dire è che ha
una certa probabilità di decadere in un certo tipo di particelle e le
frequenze dei diversi tipi di decadimento possono essere calcolate
teoricamente nel Modello Standard
Una particella Z può decadere in:
~3,3 %
due elettroni (Z0→ e+ + e- )
~3,3 %
~10 %
due muoni (Z0→ m+ + m-)
due particelle tau (Z0→ t+ + t- ) ~3,3 %
due neutrini (Z0→ n + n) (n=ne,nm,nt) ~20 % INVISIBILE!
due quark (Z0→ q + q ) (q=u,d,c,s,b ma non t che è troppo pesante) ~70 %
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Decadimenti del t
Decadimenti deboli mediati dallo scambio di un bosone W
~18 %
 t- → m- + nm + nt
~18 %
 t- → e- + ne + nt
~49 %
 t- → h- +ng+ nt
~15 %
 t- → h- h+ h- + ng+ nt
(h indica un generico adrone)
In un evento Z0→ t+ + t- si hanno 2 t che decadono indipendentemente
e si possono avere stati finali con
2 elettroni
2 muoni
1 elettrone e 1 muone
1 elettrone e adroni
1 muone e adroni
adroni
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3 famiglie
Gli esperimenti LEP hanno misurato la
probabilità che una Z decadesse
producendo particelle visibili nel
rivelatore in funzione dell’energia di
collisione elettrone-positrone.
Le tre linee colorate corrispondono alle
previsioni della teoria per 2, 3 e 4
famiglie di particelle.
I dati sono in ottimo accordo con la
curva per tre famiglie.
Se le nostre teorie sono corrette, allora le tre famiglie di particelle che già
conosciamo sono già tutto quanto c’è da conoscere. Ciò che non ci dice,
tuttavia, è perché la natura abbia scelto di fare due copie della famiglia
fondamentale di particelle...
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