Collana di Fisica e Astronomia

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1 Collana di Fisica e Astronomia A cura di: Michele Cini Stefano Forte Massimo Inguscio Guida Montagna Oreste Nicrosini Franco Pacini Luca Peliti Alberto Rotondi

2 Sylvie Braibant Giorgio Giacomelli Maurizio Spurio Particelle e interazioni fondamentali Il mondo delle particelle 123

3 SYLVIE BRAIBANT GIORGIO GIACOMELLI MAURIZIO SPURIO Dipartimento di Fisica Università degli Studi di Bologna ISBN ISBN (ebook) DOI / Springer-Verlag Italia, 2009 Quest opera è protetta dalla legge sul diritto d autore, e la sua riproduzione è ammessa solo ed esclusivamente nei limiti stabiliti dalla stessa. Le fotocopie per uso personale possono essere effettuate nei limiti del 15% di ciascun volume dietro pagamento alla SIAE del compenso previsto dall art. 68, commi 4 e 5, della legge 22 aprile 1941 n Le riproduzioni per uso non personale e/o oltre il limite del 15% potranno avvenire solo a seguito di specifica autorizzazione rilasciata da AIDRO, Via Corso di Porta Romana n. 108, Milano 20122, e- mail segreteria@aidro.org e sito web HYPERLINK " Tutti i diritti, in particolare quelli relativi alla traduzione, alla ristampa, all utilizzo di illustrazioni e tabelle, alla citazione orale, alla trasmissione radiofonica o televisiva, alla registrazione su microfilm o in database, o alla riproduzione in qualsiasi altra forma (stampata o elettronica) rimangono riservati anche nel caso di utilizzo parziale. La violazione delle norme comporta le sanzioni previstedalla legge. L utilizzo in questa pubblicazione di denominazioni generiche, nomi commerciali, marchi registrati, ecc. anche se non specificatamente identificati, non implica che tali denominazioni o marchi non siano protetti dalle relative leggi e regolamenti. Riprodotto da copia camera-ready fornita dall Autore Progetto grafico della copertina: Simona Colombo, Milano In copertina: camera a bolle; immagine adattata dall originale dell Archivio CERN, che si ringrazia per la collaborazione Stampa: Grafiche Porpora, Segrate, Milano Stampato in Italia Springer-Verlag Italia s.r.l., Via Decembrio, I-Milano Springer-Verlag fa parte di Springer Science+Business Media (

4 Prefazione Questo libro intende fornire le conoscenze teoriche e fenomenologiche di base della struttura della materia a livello subatomico, presentando in maniera coordinata concetti e caratteristiche della fisica delle particelle elementari e della fisica nucleare. Abbiamo avvertito l esigenza di un libro su Particelle e interazioni fondamentali sia a seguito della strutturazione degli studi universitari con la suddivisione 3+2, che della carenza di analoghe pubblicazioni recenti in lingua italiana. Una prima parte è ad un livello più semplice, non presuppone una conoscenza precedente del campo, a parte nozioni elementari di meccanica quantistica, ed è organizzata in modo da poter essere utilizzata per un corso del III anno del tipo Istituzioni di Fisica Nucleare e Subnucleare della classe di laurea in Fisica. La seconda parte è a carattere più avanzato, ed è rivolta a studenti di corsi del tipo Fisica delle Particelle della Laurea Magistrale (LM) e a studenti delle scuole di Dottorato. L enfasi è in ogni modo sugli aspetti sperimentali e fenomenologici del campo. Una lista di testi, di lavori di rassegna e di alcuni lavori specializzati è riportata nella bibliografia. Il libro si basa sulla esperienza degli autori in corsi sia della Laurea che della LM dell Università di Bologna. La lettura del libro evidenzierà il fatto che storicamente la fisica delle alte energie rappresenta un settore di punta della ricerca italiana; questo, grazie anche alla collaborazione tra Università ed Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN). Tutti gli studenti interessati a compiere ricerche in questo campo troveranno utile consultare il sito web dell INFN [www0]. Dopo una introduzione storica e sui concetti fondamentali, nei Cap. 1-3 abbiamo dedicato particolare attenzione all analisi di alcuni esperimenti, evidenziando le metodologie, gli acceleratori e alcune tecniche di rivelazione, per passare poi a semplici e intuitivi schemi di classificazione. Nei Cap. 4 e 5, vengono discusse in modo qualitativo le interazioni fondamentali; in particolare, l interazione elettromagnetica (che è familiare allo studente) viene utilizzata per richiamare alcuni argomenti dai corsi di teoria e per definire il formalismo che sarà usato per l interazione nucleare e quella debole. Successivamente sono descritti i principi di invarianza e le leggi di conservazione (Cap. 6). Nel

5 VI Prefazione Cap. 7 vengono poi discusse in modo più formale le interazioni tra adroni e il modello statico a quark. Il Cap. 8 verte sulla interazione debole e sui neutrini. Buona parte del capitolo ha un approccio sia teorico (il formalismo di Fermi) che sperimentale (la scoperta del neutrino; la violazione della parità; le tre famiglie di leptoni) indicato a studenti del III anno. Parte del capitolo può essere lasciato per i corsi della LM. La sezione più avanzata inizia con il Cap. 9 sulle collisioni e + e,conla scoperta dei quark più pesanti e le verifiche di precisione delle interazioni elettromagnetiche e deboli al LEP. Il Cap. 10 parte dai limiti del modello statico a quark, per discutere delle interazioni profondamente inelastiche, del modello dinamico a quark negli adroni e delle interazioni adrone adrone alle alte energie. Il formalismo matematico del Modello Standard del microcosmo (l interazione elettrodebole, la QCD e il meccanismo di Higgs) sono l argomento del Cap. 11. Vi è una osservazione fondamentale che pone problemi al Modello Standard: il fatto che l Universo sia formato da materia, praticamente senza antimateria. Ciò costituisce una asimmetria particella antiparticella di fondamentale importanza, descritta nel Cap. 12. Oltre alla violazione di CP nella interazione debole, viene descritta la situazione teorica e sperimentale dopo la recente scoperta del meccanismo di oscillazione dei neutrini. Nel Cap. 13 vengono discussi alcuni aspetti di fisica al di là del Modello Standard, aspetti della fisica senza acceleratori e dei raggi cosmici e infine le connessioni fra microfisica, astrofisica e cosmologia. La più straordinaria dimostrazione dell interconnessione tra microcosmo e macrocosmo, ovvero tra la fisica delle particelle, l astrofisica e la cosmologia, è data dalla tabella periodica degli elementi. Per questo motivo, il libro si conclude con il Cap. 14, relativo agli aspetti fondamentali delle interazioni tra nucleoni e la fisica dei nuclei. Apparentemente, nel libro non compaiono problemi: essi sono disponibili (con molte soluzioni svolte) nel sito web della casa editrice Springer relativo aquestolibro. Ringraziamo numerosi colleghi per la loro collaborazione ed i loro suggerimenti, principalmente quando questo libro si presentava sotto forma di appunti per gli studenti. Ringraziamo Mariagrazia Fabbri e Paolo Giacomelli per la lettura e commenti della versione finale, e molti studenti per i suggerimenti e le domande che ci hanno permesso di impostare questo lavoro nel modo che speriamo sia utile per molti. Anche se abbiamo cercato di essere meticolosi, saremo grati a chi ci vorrà segnalare correzioni, migliorie o semplici osservazioni. Bologna, Febbraio 2009 Sylvie Braibant Giorgio Giacomelli Maurizio Spurio

6 1 Introduzione. Note storiche e concetti fondamentali Introduzione Notizie storiche. La scoperta delle particelle elementari 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) Interazionideifotoni Effettofotoelettrico EffettoCompton Creazione(produzione)dicoppie Sciamielettromagnetici Interazionideineutroni Significato qualitativo di una misura di sezione d urto totale Tecnichedirivelazionedelleparticelle Caratteristichegenerali Rivelatoriaionizzazione Contatori a scintillazione Rivelatoriasemiconduttore Contatori di Ĉerenkov Lacameraabolle Calorimetrielettromagneticieadronici... 43

7 VIII 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 Conversionedienergiainmassa Uso degli acceleratori con bersaglio fisso ConservazionedelnumeroBarionico Produzione di particelle in un fascio secondario Spettrometroatempodivolo Camere a bolle esposte a fasci di particelle cariche Alcune leggi di conservazione all opera La spirale diunelettrone Unacoppiaelettrone-positrone Un albero dielettroniepositroni Decadimentidiparticellecariche Il paradigma delle interazioni: il caso elettromagnetico L interazioneelettromagnetica Lacostantediaccoppiamento La teoria quantistica dell elettromagnetismo Richiami di meccanica quantistica Equazione di Schrödinger EquazionediKlein-Gordon EquazionediDirac Probabilitàditransizioneinteoriaperturbativa Il propagatore bosonico Sezionid urto,vitemedie:teoriaedesperimento Sezioned urto Decadimentodiparticelleevitamedia IdiagrammidiFeynman Alcuniprocessielettromagnetici Scattering Rutherford da un centro diffusore La reazione e + e μ + μ Diffusioneelastica(scatteringBhabha) Annichilazione e + e γγ VerifichediQED Primo sguardo alle altre interazioni fondamentali Introduzione L interazionegravitazionale L interazionedebole L interazioneforte...111

8 IX 5.5 Classificazionedelleparticelle Classificazione secondo la stabilità Classificazione secondo lo spin Classificazione secondo il numero Barionico e Leptonico Principi di invarianza e di conservazione Introduzione Richiami:principidiinvarianza Invarianza in meccanica classica Invarianza in meccanica quantistica Trasformazioni continue: traslazioni e rotazioni Connessionespin-statistica Parità Conservazione e violazione della parità Spin-parità delmesoneπ Paritàparticella-antiparticella Coniugazionedicarica Conservazione di C nei processi elettromagnetici Inversionetemporale Reversibilitàneiprocessimacroscopici CP e CPT Caricaelettricaeinvarianzadigauge Interazioni tra adroni a basse energie e il modello statico aquark Adroniequark IlmodellodiYukawa Simmetriaprotone-neutrone:lospinisotopico La sezione d urto per l interazione forte Liberocamminomedio Collisioni adrone-adrone alle basse energie Gliantibarioni Lerisonanze FormuladiBreit-Wignerperlerisonanze La risonanza Δ ++ (1232) Formazioneeproduzionedirisonanze Produzioneedecadimentodiparticellestrane Classificazione degli adroni composti dai quark u, d, s Il decupletto barionico J P = 3/ Le prime indicazioni per il numero quantico di colore L ottetto barionico J P = 1/ Imesonipseudoscalari Imesonivettoriali Conservazione di stranezza e isospin Iseiquark...174

9 X 7.14 Alcuneverifichedelmodellostaticoa quark Decadimenti leptonici dei mesoni vettoriali neutri Produzionedicoppiedileptoni Rapporto tra sezioni d urto totali adrone-adrone ad altaenergia Momentimagneticideibarioni Relazionidimassa La ricerca dei quark liberi e limiti del modello statico Caratteristiche delle interazioni deboli e i neutrini Introduzione L ipotesidelneutrino eildecadimentobeta Il decadimento β dei nuclei e l energia mancante IldisperatorimediodiPauli Lastoriadelneutrino(enonsolo) La teoria di Fermi del decadimento β Ildecadimentodelneutrone La costante di Fermi dal decadimento β del neutrone La costante α W dallateoriadifermi Universalitàdelleinterazionideboli(I) Vitamediadelmuone LaregoladiSargent IltriangolodiPuppi Lascopertadelneutrinoelettronico IlprogettoPoltergeist Tipi di transizione nel decadimento β La sezione d urto del β inverso dal modello di Fermi Famigliedileptoni Fascidineutrinimuoniciedesperimenti Violazione della parità nel decadimento β Lateoriaaduecomponentidelneutrino Ildecadimentodeipionicarichi Decadimentidelleparticellestrane Universalità delle interazioni deboli (II). L angolo di Cabibbo Misura dell angolo di Cabibbo Interazionedeboleacorrenteneutra Indicazioniteorichepernuoviquark Lo strano caso del decadimento dei K neutri Indizi sul quarto quark dalle correnti neutre I sei quark e la matrice di Cabibbo-Kobayashi-Maskawa Produzione dei bosoni vettori W ± ez L interazionev-adelleinterazionideboli...228

10 XI 9 Scoperte con collisioni positrone - elettrone Introduzione La scoperta dei quark e del numero quantico di colore Mesoni con quark c, c Mesoni con quark b, b Sezioned urtoelettrone-positrone La reazione e + e γ μ + μ La reazione e + e γ adroni e il numero quantico dicolore Spettroscopia dei mesoni pesanti e stima di α S Fisica atomica: analogia con α EM La costante di accoppiamento α S Il leptone τ Apparati sperimentali ed esempi di eventi al LEP IrivelatorialLEP IlrivelatoreOPAL Eventi in rivelatori 4π allep Collisioni e + e a E cm 91 GeV. Il bosone Z Larghezze totale e parziali della Z La sezione d urto e + e γ/z 0 ff Γ invis e il numero di famiglie di neutrini leggeri Le asimmetrie avanti-indietro A FB ( Forward-Backward ) Modello della produzione multiadronica RiepilogodellemisureaLEP Collisioni e + e per s>100gevalep Sezioni d urto e + e W +,W,Z 0 Z La massa e la larghezza del bosone W La misura di α S RicerchedelbosonediHiggs Interazioni ad alta energia ed il modello dinamico a quark Introduzione Collisioni leptone-nucleone ad alta energia Diffusioneelasticaelettrone-protone Variabilicinematiche DiffusioneallaRutherford Sezioned urtoinelasticaep Ipartonineinucleoni:naturaespin Caricaelettricadeipartoni Sezione d urto per collisioni ν μ NaCC Confrontocoirisultatisperimentali Lasezioned urtoneutrino-nucleone Modello dinamico a quark naive ed evoluto Dipendenza da Q 2 delle funzioni di struttura

11 XII RiepilogodeirisultatidelDIS Collisioni adrone-adrone alle alte energie Sezionid urto elasticheetotaliadaltaenergia Sezionid urtodifferenzialielastiche Analisi dei risultati delle misure di σ tot e(dσ/dt) elastico Misuredisezionid urtototali Collisioni adroniche inelastiche ad alta energia e a basso p t Distribuzioni in molteplicità carica Cenni sulle collisioni nucleo-nucleo ad alte energie Il Modello Standard del Microcosmo Introduzione L interazionedebole Divergenze nelle WI e il problema dell unitarietà Leteoriedigauge Sceltadelgruppodisimmetria Invarianzadigauge Densità di lagrangiana della teoria elettrodebole Rottura spontanea della simmetria. Il meccanismo di Higgs IleptoninelModelloStandard IquarknelModelloStandard Lemassedeifermioni L interazioneelettrodebole I parametri dell Interazione Elettrodebole SchermaturadellacaricaelettricainQED Diagrammi di Feynman di ordine superiore, infiniti e rinormalizzazioneinqed L interazioneforte LaCromodinamicaQuantistica(QCD) SchermaturadellacaricadicoloreinQCD Fattoridicolore La costante di accoppiamento forte α S IlModelloStandard: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 Esperimenti recenti per la misura di ε /ε A cosa èdovutalaviolazionedicp? Violazione di CP nel sistema B 0 B

12 XIII Misure di violazione di CP con B 0 B Prossimi esperimenti per violazione di CP Oscillazioni dei neutrini Il caso particolare di oscillazione tra due sapori Oscillazioni tra tre sapori Oscillazioni dei neutrini nella materia Neutrini dal sole e studi sulle oscillazioni Oscillazioni dei neutrini atmosferici ed esperimenti Esperimentilongbaseline Conseguenze delle oscillazioni dei neutrini Microcosmo e Macrocosmo LaGrandeUnificazione Decadimentodelprotone Monopolimagnetici Cosmologia. Primi attimi dell universo Supersimmetria(SUSY) Modello Standard Supersimmetrico Minimale (MSSM) Supergravità.SUGRA.Supercorde Modellicomposti(compositi) Particelle,AstrofisicaeCosmologia Lamateriaoscura IlBigBangel universoprimordiale Aspetti fondamentali delle interazioni tra nucleoni Introduzione Proprietàgeneralideinuclei Lacartadeinuclidi Energiadilegamenucleare Dimensionideinuclei Proprietàelettromagnetichedeinuclei Modellinucleari ModelloagasdiFermi Modelloagocciadiliquido Ilmodelloashell Proprietà dell interazione nucleone-nucleone Decadimentiradioattiviedatazione Decadimentiincascata Decadimento γ Decadimento α Decadimento β Reazioninucleariefissione Fissionenucleare Reattorinucleariafissione FusioneNucleare...462

13 XIV Fusionenellestelle Formazione degli elementi superiori al Fe Fusioneinlaboratorio A Appendici Appendice 1 Tabella periodica degli elementi Appendice 2 Le unità di misura naturali in fisica subnucleare. 473 Appendice 3 Richiami di relatività ed EM classico Appendice 4 Equazione e formalismo di Dirac Appendice 5 Costanti fisiche e astrofisiche Riferimenti bibliografici analitico...493