Come esplorare la struttura interna di protoni e neutroni: esperimenti e teoria - I

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1 Come esplorare la struttura interna di protoni e neutroni: esperimenti e teoria - I Mauro Anselmino, Università di Torino & INFN 26 Agosto 2008 Scuola Estiva Perugia 2008 Progetto Lauree Scientifiche

2 Viaggio all interno del mondo dell atomo Modello atomico di Bohr metri

3 come si scoprono le sotto-strutture? l atomo assorbe energia l energia dell elettrone aumenta solo certi livelli di energia (orbite) sono permessi in seguito, l atomo si diseccita

4 r n = a 0 n 2 a 0 = m

5 La teoria: meccanica quantistica comportamento ondulatorio della materia probabilità invece di determinismo fenomeni per cui Energia x tempo ~ h h = costante di Planck ~ Joule s m Gli elettroni sono in orbita intorno al nucleo con una energia ben precisa, ma una posizione non ben determinata

6 le dimensioni dei nuclei: l esperimento di Rutherford (1912) Urto di particelle contro una sottile lamina di oro

7 le dimensioni dei nuclei: l esperimento di Rutherford (1912) Urto di particelle contro una sottile lamina di oro

8 le dimensioni dei nuclei: l esperimento di Rutherford (1912) Urto di particelle contro una sottile lamina di oro

9 le dimensioni dei nuclei: l esperimento di Rutherford (1912) Urto di particelle contro una sottile lamina di oro Esistenza di un nucleo centrale di dimensioni ~ m

10 La struttura dei nuclei atomici m m

11 La struttura dei nuclei atomici m m Il nucleo contiene protoni con carica +e e neutroni senza carica elettrica

12 Legami covalenti Legami covalenti Le forze elettromagnetiche uniscono atomi in molecole; gli atomi sono elettricamente neutri, ma gli elettroni in uno sono attratti dai protoni nell altro, e viceversa molecola d acqua, H 2 O, 10 9 m, nanotecnologie

13 Le forze forti (con carica di colore ) uniscono protoni e neutroni nei nuclei; i nucleoni non sono colorati, ma i quark dell uno sono attratti dai quark dell altro, e viceversa. Le forze elettromagnetiche uniscono atomi in molecole; gli atomi sono elettricamente neutri, ma gli elettroni in uno sono attratti dai protoni nell altro, e viceversa

14 Si noti come la dimensione dell atomo sia volte superiore a quella del nucleo, la stessa proporzione, come ordine di grandezza, che vale tra la dimensione della Terra ( Km.) e la distanza Terra-Sole ( Km.). Il protone, a sua volta, ha una dimensione almeno 1000 volte superiore a quella degli elettroni e dei quark. La materia, per particelle come elettroni e quark, è un grande spazio vuoto.

15 Quante sono le interazioni fondamentali? Strong Electromagnetic Gluons (8) Photon Quarks Mesons Baryons Nuclei Atoms Light Chemistry Electronics Gravitational Weak Graviton? Bosons (W,Z) Solar system Galaxies Black holes Neutron decay Beta radioactivity Neutrino interactions Burning of the sun The particle drawings are simple artistic representations Courtesy of David Barney, CERN

16 caratteristiche delle 4 forze interazione quanto raggio di valore relativo esempi scambiato azione (m.) della forza in natura carica forte gluone protoni (quark) colore elettromagnetica fotone infinito < 10 2 atomi elettrica debole W, Z < radioattività ipercarica gravità gravitone? infinito sistema solare massa

17 La teoria: meccanica quantistica relativistica - Teorie dei campi Ruolo speciale della velocità della luce Relatività di spazio e tempo, dipendenza dal sistema di riferimento, contrazione delle lunghezze e dilatazione dei tempi Geometria non euclidea, spazio-tempo di Minkowski Equivalenza tra massa ed energia, E = mc 2, creazione di coppie di particelle

18 La struttura dei nucleoni m Neutroni e protoni contengono altri costituenti? Come ce ne accorgiamo? Spettroscopia adronica (proprietà statiche) Esplorazione dinamica

19 la giungla delle particelle (presupposte) elementari

20 π la giungla delle particelle (presupposte) elementari

21 π ο π la giungla delle particelle (presupposte) elementari

22 π ο π π + la giungla delle particelle (presupposte) elementari

23 Λ + π ο π π + la giungla delle particelle (presupposte) elementari

24 Λ + π ο π π + p la giungla delle particelle (presupposte) elementari

25 Σ 0 Λ + π ο π π + p la giungla delle particelle (presupposte) elementari

26 Σ 0 Λ + π ο π π + Δ ++ p la giungla delle particelle (presupposte) elementari

27 Σ 0 Λ + Δ ο π ο π p π + Δ ++ la giungla delle particelle (presupposte) elementari

28 Σ 0 Λ + Δ ο π ο Δ + π p π + Δ ++ la giungla delle particelle (presupposte) elementari

29 Σ 0 Δ + Δ Λ + Δ ο π ο π p π + Δ ++ la giungla delle particelle (presupposte) elementari

30 Σ 0 Δ + Δ Λ + Δ ο Ω π ο π p π + Δ ++ la giungla delle particelle (presupposte) elementari

31 Σ 0 Δ + Δ Λ + Δ ο Ω π ο π p π + Δ ++ Κ + la giungla delle particelle (presupposte) elementari

32 Σ 0 Δ + Δ Λ + Δ ο Ω π ο π p π + Δ ++ Κ 0 Κ + la giungla delle particelle (presupposte) elementari

33 Κ Σ 0 Δ + Δ Λ + Δ ο Ω π ο π p π + Δ ++ Κ 0 Κ + la giungla delle particelle (presupposte) elementari

34 come mettere ordine nella giungla? (SU(3) - the eightfold way) esiste un tripletto di campi fondamentali e le interazioni forti (adroniche) sono invarianti per trasformazioni del tipo (a, b = 1, 2, 3) χ a χ a χ a = b U ab χ b le U sono matrici unitarie 3x3 di determinante 1, e formano il gruppo SU(3) U = exp { i k=1 α k λ k } 8 matrici indipendenti

35 λ 1 = λ 3 = λ 5 = λ 7 = i λ 2 = i λ 4 = i λ 6 = i i λ 8 = i Gell-Mann matrices

36 che cosa sono i campi fondamentali χ a? quarks Q S I I3 B Y=B+S u 2/3 0 1/2 1/2 1/3 1/3 d -1/3 0 1/2-1/2 1/3 1/3 s -1/ /3-2/3 sapore carica elettrica stranezza isospin 3 a comp. isospin numero barionico ipercarica

37 come usiamo l idea della simmetria di SU(3) e dei 3 quark per costruire stati fisici? stati a simmetria definita formati con triplette di quark S = 1 6 ( xyz + xzy + yxz + yzx + zxy + zyx ) α = (2 xyz +2 yxz xzy zxy yzx zyx ) β = 1 2 ( xzy zxy + yzx zyx ) A = 1 6 ( xyz xzy + yxz yzx + zxy zyx ) S A α, β stato simmetrico per scambi di x,y,z (10 stati) stato anti simmetrico (1 stato) stati a simmetria mista, che per scambi di x,y,z danno combinazioni lineari di se stessi (8+8 stati)

38 decupletto di stati simmetrici ++ = uuu + = 1 3 (uud + udu + duu) 0 = 1 3 (udd + dud + ddu) I = 3 2 = ddd Σ + = 1 3 (uus + usu + suu) Σ 0 = 1 6 (uds + usd + dus + dsu + sud + sdu) Σ = 1 3 (dds + dsd + sdd) I =1 Ξ 0 = 1 3 (uss + sus + ssu) Ξ = 1 3 (dss + sds + ssd) I = 1 2 Ω = sss I =0

39 ottetto di stati p = 1 6 (2uud udu duu) n = 1 6 (udd + dud 2ddu) Λ 0 = 1 2 (usd + sud dsu sdu) Σ + = 1 6 (2uus usu suu) Σ 0 = (2uds +2dus usd sud dsu sdu) Σ = 1 6 (2dds dsd sdd) Ξ 0 = 1 6 (uss + sus 2ssu) Ξ = 1 6 (dss + sds 2ssd)

40 Come si forma la materia osservata?

41 i mesoni sono stati q q K + = u s K 0 = d s π + = u d π 0 = 1 ( uū d d) 2 π = dū η = 1 ( ) uū + d d 2s s 6 K 0 = s d K = sū

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43 I costituenti della materia (ordinaria) carica quark elettrone u d e protone = uud, carica = +e neutrone = udd, carica = 0

44 10 10 m m m m

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46 Quante sono le particelle elementari? (per ogni particella esiste la corrispondente anti-particella) tre famiglie materia ordinaria materia creata in urti ad alte energie

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48 La struttura dei quarks?? Non vi sono (finora) prove di una ulteriore struttura < m

49 History of Constituents of Matter

50 i quark come oggetti dinamici e p e + jet + X elettrone finale e p jet di particelle finali

51 sezione trasversa lego plot (energia depositata

52 lh l + jet + X lh l + q + X jet jet

53 e + e jet + jet

54 e + e jet + jet e + e q q jet q e + e q jet

55 Deep Inelastic Scattering (DIS), 1970 analogia con scattering Rutherford e, E' e, E θ L effetto osservato è lo stesso che si avrebbe per l urto di un elettrone su di particelle puntiformi, i costituenti X esistenza di costituenti elementari, i partoni (quark)