Forme bilineari di fermioni di Dirac Interazione debole corrente-corrente...235

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1 Indice 1 Introduzione. Note storiche e concetti fondamentali Introduzione Notizie storiche. La scoperta delle particelle Il concetto di atomo. Indivisibilità Il Modello Standard del Microcosmo. Fermioni e Bosoni fondamentali Rivelazione e rivelatori di particelle Introduzione Passaggio di particelle cariche nella materia Perdita di energia per ionizzazione e per eccitazione Calcolo classico della perdita di energia per ionizzazione Bremsstrahlung (perdita di energia per radiazione) Interazioni dei fotoni Effetto fotoelettrico Effetto Compton Creazione (produzione) di coppie Sciami elettromagnetici Interazioni dei neutroni Significato qualitativo di una misura di sezione d urto totale Tecniche di rivelazione delle particelle Caratteristiche generali Rivelatori a ionizzazione Contatori a scintillazione Rivelatori a semiconduttore Contatori di Cherenkov La camera a bolle Calorimetri elettromagnetici e adronici... 44

2 X Indice 3 Acceleratori di particelle ed esempi di rivelazione Perché è necessario utilizzare acceleratori Acceleratori lineari e circolari Acceleratori lineari Acceleratori circolari Collider (o collisionatori) e luminosità Esempio: il complesso di acceleratori del CERN Conversione di energia in massa Uso degli acceleratori con bersaglio fisso Conservazione del numero Barionico Produzione di particelle in un fascio secondario Spettrometro a tempo di volo Camere a bolle esposte a fasci di particelle cariche Alcune leggi di conservazione all opera La spirale di un elettrone Una coppia elettrone-positrone Un albero di elettroni e positroni Decadimenti di particelle cariche Il paradigma delle interazioni: il caso elettromagnetico L interazione elettromagnetica La costante di accoppiamento La teoria quantistica dell elettromagnetismo Richiami di meccanica quantistica Equazione di Schrödinger Equazione di Klein-Gordon Equazione di Dirac Probabilità di transizione in teoria perturbativa Il propagatore bosonico Sezioni d urto, vite medie: teoria ed esperimento Sezione d urto Decadimento di particelle e vita media I diagrammi di Feynman Alcuni processi elettromagnetici Scattering Rutherford da un centro diffusore La reazione e + e µ + µ Diffusione elastica elettrone-positrone (scattering Bhabha) Annichilazione e + e γγ Verifiche di QED...104

3 Indice XI 5 Primo sguardo alle altre interazioni fondamentali Introduzione L interazione gravitazionale L interazione debole L interazione forte Classificazione delle particelle Classificazione secondo la stabilità Classificazione secondo lo spin Classificazione secondo il numero Barionico e Leptonico Principi di invarianza e di conservazione Introduzione Richiami: principi di invarianza Invarianza in meccanica classica Invarianza in meccanica quantistica Trasformazioni continue: traslazioni e rotazioni Connessione spin-statistica Parità Spin-parità del mesone π Parità particella-antiparticella Coniugazione di carica Coniugazione di carica in processi EM Violazione di C nell interazione debole Inversione temporale CP e CPT Carica elettrica e invarianza di gauge Interazioni tra adroni a basse energie e il modello statico a quark Adroni e quark Il modello di Yukawa Simmetria protone-neutrone: lo spin isotopico La sezione d urto per l interazione forte Libero cammino medio Collisioni adrone-adrone alle basse energie Gli antibarioni Le risonanze adroniche Equazione di Breit-Wigner per le risonanze La risonanza ++ (1232) Formazione e produzione di risonanze Distribuzione angolare del decadimento della risonanza Produzione e decadimento di particelle strane Classificazione degli adroni composti dai quark u,d,s Il decupletto barionico J P = 3/ Le prime indicazioni per il numero quantico di colore..167

4 XII Indice 7.9 L ottetto barionico J P = 1/ I mesoni pseudoscalari I mesoni vettoriali Conservazione di stranezza e isospin I sei quark Alcune verifiche del modello statico a quark Decadimenti leptonici dei mesoni vettoriali neutri Produzione di coppie di leptoni Rapporto tra sezioni d urto totali adrone-adrone ad alta energia Momenti magnetici dei barioni Relazioni di massa La ricerca dei quark liberi e limiti del modello Caratteristiche delle interazioni deboli e i neutrini Introduzione L ipotesi del neutrino e il decadimento beta Il decadimento β dei nuclei e l energia mancante Il disperato rimedio di Pauli La storia del neutrino (e non solo) La teoria di Fermi del decadimento β Il decadimento del neutrone La costante di Fermi dal decadimento β del neutrone La costante α W dalla teoria di Fermi Universalità delle interazioni deboli (I) Vita media del muone La regola di Sargent Il triangolo di Puppi La scoperta del neutrino elettronico Il progetto Poltergeist Tipi di transizione nel decadimento β La sezione d urto del β inverso Famiglie di leptoni Violazione della parità nel decadimento β La teoria a due componenti del neutrino Il decadimento dei pioni carichi Decadimenti delle particelle strane Universalità delle interazioni deboli (II). L angolo di Cabibbo Interazione debole a corrente neutra Le interazioni deboli e i quark L hamiltoniana debole e il meccanismo GIM Indizi sul quarto quark dalle correnti neutre I sei quark e la matrice di Cabibbo-Kobayashi-Maskawa Produzione dei bosoni vettori W ± e Z L interazione V-A delle interazioni deboli...231

5 Indice XIII Forme bilineari di fermioni di Dirac Interazione debole corrente-corrente Scoperte con collisioni positrone-elettrone Introduzione Sezione d urto elettrone-positrone La reazione e + e γ µ + µ Il numero quantico di colore La scoperta dei quark c e b Mesoni con quark c, c La risonanza J/ψ Mesoni con quark b, b Spettroscopia dei mesoni pesanti e stima di α S Il leptone τ Apparati sperimentali ed esempi di eventi al LEP I rivelatori al LEP Eventi in rivelatori 4π al LEP Collisioni e + e a E cm 91 GeV. Il bosone Z La risonanza Z Larghezze totale e parziali della Z Grandezze misurabili, Γ invis e il numero di famiglie di neutrini leggeri Le asimmetrie avanti-indietro A FB ( forward-backward ) Modello della produzione multiadronica Collisioni e + e per s > 100 GeV a LEP Sezioni d urto e + e W +,W,Z 0 Z La massa e la larghezza del bosone W La misura di α S Ricerche del bosone di Higgs al LEP Interazioni ad alta energia e il modello dinamico a quark Introduzione Collisioni leptone-nucleone ad alta energia Diffusione elastica elettrone-protone Variabili cinematiche Fattori di forma del protone Sezione d urto inelastica ep I partoni nei nucleoni: natura e spin Carica elettrica dei partoni Sezione d urto per collisioni ν µ N a CC Confronto coi risultati sperimentali La sezione d urto neutrino-nucleone Modello dinamico a quark naive ed evoluto Dipendenza da Q 2 delle funzioni di struttura...303

6 XIV Indice Riepilogo dei risultati del DIS Collisioni adrone-adrone alle alte energie Sezioni d urto elastiche e totali ad alta energia Sezioni d urto differenziali elastiche Misure di sezioni d urto totali Collisioni adroniche inelastiche ad alta energia e a basso p t Cenni sulle collisioni nucleo-nucleo ad alte energie LHC e la ricerca del bosone di Higgs Produzione del bosone di Higgs in collisioni pp I modi di decadimento del bosone di Higgs Strategie di ricerca a LHC Il Modello Standard del Microcosmo Introduzione Divergenze nelle WI e il problema dell unitarietà Le teorie di gauge Scelta del gruppo di simmetria Invarianza di gauge Invarianza di gauge nell interazione elettrodebole Densità di lagrangiana della teoria elettrodebole Rottura spontanea della simmetria. Il meccanismo di Higgs La corrente neutra Le masse dei fermioni I parametri dell Interazione Elettrodebole Schermatura della carica elettrica in QED Diagrammi di Feynman di ordine superiore, infiniti e rinormalizzazione in QED L interazione forte La Cromodinamica Quantistica (QCD) Schermatura della carica di colore in QCD Fattori di colore La costante di accoppiamento forte α S Il Modello Standard: riepilogo Violazione di CP e oscillazioni di particelle Il problema dell asimmetria materia-antimateria Il sistema K 0 K Sviluppo temporale di un fascio di K 0. Rigenerazione di K 0 1. Oscillazioni in stranezza Violazione di CP nel sistema K 0 K Il formalismo e i parametri della violazione di CP A cosa è dovuta la violazione di CP? Violazione di CP nel sistema B 0 B Prossimi esperimenti per violazione di CP Oscillazioni dei neutrini...379

7 Indice XV Il caso particolare di oscillazione tra due sapori Oscillazioni tra tre sapori L approssimazione di neutrino con massa dominante Oscillazioni dei neutrini nella materia Neutrini dal sole e studi sulle oscillazioni Oscillazioni dei neutrini atmosferici ed esperimenti Esperimenti long baseline Conseguenze delle oscillazioni dei neutrini Microcosmo e Macrocosmo La Grande Unificazione Decadimento del protone Monopoli magnetici Cosmologia. Primi attimi dell universo Supersimmetria (SUSY) Modello Standard Supersimmetrico Minimale (MSSM) Supergravità. SUGRA. Supercorde Modelli composti (compositi) Particelle, astrofisica e cosmologia La materia oscura Il Big Bang e l universo primordiale Aspetti fondamentali delle interazioni tra nucleoni Introduzione Proprietà generali dei nuclei La carta dei nuclidi Energia di legame nucleare Dimensioni dei nuclei Proprietà elettromagnetiche dei nuclei Modelli nucleari Modello a gas di Fermi Modello a goccia di liquido Il modello a shell Proprietà dell interazione nucleone-nucleone Decadimenti radioattivi e datazione Decadimenti in cascata Decadimento γ Decadimento α Teoria elementare del decadimento α Calcolo media prevista per il nucleo U Decadimento β Teoria elementare del decadimento β dei nuclei Reazioni nucleari e fissione Fissione nucleare Reattori nucleari a fissione...466

8 XVI Indice Fusione nucleare Fusione nelle stelle Formazione degli elementi superiori al Fe Datazione della Terra e del sistema solare Fusione in laboratorio A Appendici Tabella periodica degli elementi Le unità di misura naturali in fisica subnucleare Richiami di relatività ed EM classico Equazione e formalismo di Dirac Costanti fisiche e astrofisiche Riferimenti bibliografici Indice analitico...507

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