Fisica 24 oreLa Fisica del Microcosmo

Dalla Meccanica Quantistica al Modello Standard delle Particelle

Elementari

Le due grandi rivoluzioni dell’inizio ‘900:Meccanica Quantistica Relatività

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E = mc 2

Equazione di Dirac

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(ihγ μ∂μ −m)ψ (x) = 0

L’equazione di Dirac descrive correttamente le proprietà dell’elettrone

Ma fa anche altro:

Prevede l’esistenza di una particella sconosciuta, identica all’elettrone, ma con carica elettrica

positiva invece di negativa

Dirac prevede il positrone

N.B. la MATEMATICA suggerisce la FISICAN.M.B. naturalmente, occorre controllare che sia vero!!!

La scoperta sperimentale del positrone

Nel 1932 Carl Anderson verificasperimentalmente la previsione di Dirac

La curvatura (particella carica in campo magnetico)ci dice che è una particella con carica POSITIVA

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F = q(v × B) Forza diLorentz

Una miriade di nuove particelleDopo il positrone i fisici cominciano a scoprire tantissime nuove particelle, diverse da quelle che costituiscono normalmente la materia (protone, neutrone ed elettrone): π, K, , , , , , ……….. etc etc etc

Enrico Fermi: “Ragazzo, se io potessi ricordare il nomedi tutte queste particelle sarei un botanico!”

Ma allora: cosa significa FONDAMENTALE??Di cosa siamo veramente “fatti”?

Il problema della risoluzione:più in dettaglio guardate, più dettagli vedete

Teoria:

È una fotoÈ un uomo …UHMMMMMM….È una MIA foto…uhmmmmm….È qualcun altro

Esperimento:

Ricordate = h/p ?

lunghezza d’onda

costante di Planck

quantità di moto

Serve una grande energia per ottenere una piccola lunghezza d’onda ( = grande risoluzione)

Large Hadron ColliderAcceleratore protone-protone incostruzione al CERN. Pronto nel 2007

Energia ~ 2 7000 volte la massa del protone ~ 10-18 m

27 km di circonferenza

Costo ~ 2.2 miliardi di euro

(

LHC nella campagna franco-svizzera attorno al CERN

N.B. Il tunnel è completamente sotterraneo

LHC

SppS-CERN

Uno dei 4 apparati sperimentali di LHC…

……e la sua caverna.

Un ipotetico evento a LHC

)

1900 - 1930: poche particelle (protone, neutrone, elettrone) Elementari?

1930 - 1960: esperimenti -> tantissime particelle Grande confusione!!

1960 - 1970: inizia ad emergere un ordine (quark, leptoni, 4 forze)

1970 - ????: il Modello Standard

I leptoni

Tre famiglie, ognunacontenente un “elettrone”e un neutrino

Muone: particella identicaall’elettrone, eccetto che per la massa, 200 volte maggiore

Neutrino: introdotto daWolfgang Pauli ed Enrico Fermi per preservare la conservazione dell’energia nel decadimento beta del neutrone

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n→ p + e− + ν e

I.I. Rabi: “Il muone, ma chi l’ha chiesto?”

I quark

Murray Gell-Mann

Up e down costituiscono la materia ordinaria (p = uud, n = udd)

Gli altri (“Ma chi li ha chiesti?”) compongono tutte le altre particelle osservate

“Three quarks for Muster Mark ”J. Joyce, Finnegan’s Wake

Le 4 forze (= interazioni)

Ogni forza è trasportata da una specifica particellaCarlo Rubbia e Simon van der MeerPremio Nobel per la Fisica 1984 per la scopertaal CERN di Ginevra dei bosoni vettori W e Z,portatori della forza debole

Intensità 10-38 10-5 10-2 1

Il Modello Standard

“riassunto” delle attuali conoscenze circa la fisicadelle interazioni fondamentali:

• individua le particelle fondamentali• individua le forze fondamentali (e.m., debole, forte)• detta le regole attraverso cui le particelle interagiscono tramite le forze (esempio: conservazione della carica elettrica)• permette di effettuare previsioni teoriche confrontabili con gli esperimenti

Il Modello Standard

Sheldon Lee Glashow

AbdusSalam

StevenWeinberg

Premio Nobel per la Fisica 1979

Richard P.Feynman

JulianSchwinger

Sin-ItiroTomonaga

Premio Nobel per la Fisica 1965( www.nobel.se/physics/laureates/1965/ )

( www.nobel.se/physics/laureates/1979/ )

QED

Interazionielettrodeboli

E le interazioni forti (QCD)?? Niente Nobel per ora!

Dimensioni

Se l’atomo fosse un campo da calcio (100 m), il nucleo sarebbe una biglia (1 cm)

Lo spazio è quasi totalmente vuoto! Sono le forze che “creano” la solidità degli oggetti

Distanze

Perché la gravità e l’elettromagnetismo ci sono familiari,mentre non sapevamo nulla della forza debole e di quella forte?

Perché hanno raggio d’azione INFINITO, mentre le forzedebole e forte sono confinate a BREVI DISTANZE

Un esempio di interazione tra particelle elementari

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e+e− →D+D−

Elettrone e positrone si scontrano. La forza elettrodebole produce un charm e un anticharm

Il charm e l’anticharm si allontanano. La forza forte fa nascere un down e un antidown, e li lega a charm e anticharm per formare le particelle osservabili D

La forza forte è speciale: CRESCE allontanando le particelle

Nel campo di forze che si crea nascono nuovi quark, chesi legano ad altri e formano le particelle osservate

Non possiamo mai osservare i quark singolarmente.

…ma allora sappiamo già tutto?

Il bosone di Higgs

Il Modello Standard prevede unaparticella tuttora sconosciuta, il bosone di Higgs

L’Higgs è necessario affinché i quark, i leptoni, le particelle che trasportano le forze abbiano una MASSA

O almeno……così dice il Modello Standard

È per verificarlo sperimentalmente che si costruisce l’LHC

Ricordate:

• LHC non sarà pronto prima del 2007

• ci vorranno alcuni altri anni per raccogliere dati

• non è detto che ci sia solo il bosone di Higgs da scoprire

Se vi interessa, siete in tempo!!