The Standard Model
of Particles and Interactions
Il modello standard delle
particelle e delle interazioni
Come è fatto l’universo?
• Nell’antichità: quattro
elementi
• XIX secolo: atomi
• All’inizio del XX secolo:
elettroni, protoni, neutroni
• Oggi: quarks e leptoni
La materia è fatta dì particelle molto piccole che
possiedono alcune proprietà fondamentali:
Massa, Carica elettrica, carica di «colore»
queste proprietà fondamentali permettono
l’interazione reciproca tra le particelle
queste proprietà fondamentali permettono
l’interazione reciproca tra le particelle
Attraverso le cosiddette forze o interazioni
fondamentali
Particelle, principalmente : quarks, elettroni
Proprietà e interazioni
Massa
Forza o interazione
Carica elettrica
Forza o interazione
Carica di «colore»
gravitazionale
elettromagnetica
Forza o interazione
nucleare forte
Particelle e proprietà
quarks
Massa
Forza o
interazione
gravitazionale
elettroni
Carica
elettrica
Carica di
«colore»
Forza o
Forza o interazione
interazione
nucleare forte
elettromagnetica
L’atomo nel 1900...
• Gli atomi formano molecole combinandosi fra
loro
• Esistono più di cento tipi di atomo (H, He, Fe …)
• Non si conosce la loro struttura interna
• Si sa che hanno una carica elettrica al loro
interno
Tavola Periodica
(1869)
Gli elementi sono raggruppati in
“famiglie” che hanno proprietà
molto simili
( ad esempio I “gas
nobili” He, Ne etc.) che sono
riunite nella Tavola Periodica.
La tavola periodica suggerisce l’esistenza di una
struttura interna degli atomi costituita da
particelle molto semplici
Nel 1909 Rutherford mette a punto ed esegue un esperimento
i cui risultati dimostrano che l’atomo è quasi totalmente vuoto
ma con un piccolissimo nucleo al centro molto duro e compatto
Come veniva immaginato l’atomo prima dell’esperimento
di Rutherford . . .
. . . come qualcosa di omogeneo, carico positivamente con
immerse all’interno le cariche negative;
ELETTRICAMENTE NEUTRO
complessivamente
Se gli lanciamo contro particelle

Dovrebbero attraversarlo rallentando senza
essere deviate!!!!!
Particella o radiazione
a
Nucleo dell’atomo di Elio (He)
N
N
Se gli lanciamo contro particelle

Dovrebbero attraversarlo rallentando senza essere
deviate!!!!!
Ma questo non accade!!!!

Invece le particelle
lo attraversano senza
rallentare e ogni tanto qualcuna viene deviata
e
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e
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L’atomo dopo l’esperimento di Rutherford
(1909) . . .
e
e
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e
e
e
e
. . . qualcosa di estremamente
vuoto con un nucleo carico
positivamente , piccolo e compatto al centro, e
le cariche
negative in periferia. Complessivamente ELETTRICAMENTE
NEUTRO
Modelli atomici
• Experiments broke atoms apart
• Very light negative charged
particles (electrons) surrounding
a heavy positive nucleus
• Atom, is mostly “empty”
1900
The Nucleus
Nucleus is small and dense;
it was thought for a while to
be fundamental
But still as many nucleii as
atoms
Simplification: all nucleii are
made up of charged protons
and neutral neutrons
Quarks
We now know that even protons
and neutrons are not fundamental
they are made up of smaller
particles called quarks
so far, quarks appear to be
fundamental (“point-like”)
The Modern Atom
A cloud of electrons in
constant motion around
the nucleus
And protons and neutrons
in motion in the nucleus
And quarks in motion
within the protons and
neutrons
Quark down
Quark up
Carica elettrica del protone = + 1
Carica elettrica del neutrone = 0
Size inside atoms
• The nucleus is 10,000
times smaller than the
atom
• Proton and neutron are
10 times smaller than
nucleus
• No evidence that quarks
have any size at all !
What is Fundamental?
Physicists have discovered hundreds of new
particles
Most, we now know are not fundamental
We have developed a theory, called The
Standard Model, which appears to explain what
we observe
This model includes 6 quarks, 6 leptons and 13
force-related particles
What is the World made of?
The real world is not made of individual quarks
(more on that later)
Quarks exist only in groups making up what we
call hadrons: (proton and neutron are hadrons)
E.g. a proton is 2 up quarks and 1 down quark
We are all made from up and down quarks and
electrons
Matter and Antimatter
For every particle ever found, there is a
corresponding antimatter particle or antiparticle
They look just like matter but have the opposite
charge
Traccja lasciata dal
passaggio di un elettrone
positivo: positrone
Traccie lasciate dal
passaggio di un elettrone
positivo e di un positrone
Particles can decay
Particles may decay, i.e. transform from one to
another
Most are unstable
Proton and electron are stable
Neutron can decay to electron and a proton
Energy appears to be missing. It is carried off
by a neutrino
Generations
• The six quarks and the six
leptons are each
organized into three
generations
• The quarks have fractional
charges (+2/3 and -1/3)
The leptons have charge
-1 or 0
What about Leptons?
• There are six leptons, three charged and three
neutral
• They appear to be point-like particles with no
internal structure
• Electrons are the most common and are the
only ones found in ordinary matter
• Neutrinos have no charge and very little mass
Matter Summary
So all the universe is made of First Generation
quarks and leptons
We now turn to how the quarks and leptons
interact with each other, stick together and decay