La freccia del tempo nella fisica delle particelle elementari Alberto Lusiani

Transcript

1 La freccia del tempo nella fisica delle particelle elementari Scuola Normale Superiore

2 La fisica delle particelle spiega oggi quasi tutto Meccanica Quantistica Relativistica (Modello Standard) fenomeni microscopici Relatività generale attrazione gravitazionale (inconciliabile con MQR) elemento base della MQ sono: Particelle (= anche campi, onde) bosone di Higgs ultima scoperta oggetti puntiformi fin dove vediamo proprietà: massa, spin, cariche anche forza/energia sono particelle altro elemento fondamentale: Simmetrie (teoria dei gruppi) Time travels la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre

3 Equazioni del moto del Modello Standard in una pagina Lagrangiana del Modello Standard in forma compatta: L = 1 a F a µν F µν 4 termini cinetici forze e.m., debole, forte + iψ ( µ ig a a G µ )γ µ ψ fermioni, termini cinetico e di gauge +ψ i λ ij ψ ( j h + ψ i λ ij ψ ) j h interazione Higgs fermioni + ( µ ig a a G µ )h 2 V(h) Higgs, termini cinetico e potenziale + N i M ij N j possibile termine di massa per neutrini di Majorana a indica somma implicita su gauge elettromagnetico, debole e forte ψ indica somma implicita su tutti i campi fermionici il Modello Standard ha campi separati per fermioni levogiri e destrogiri g a sono le costanti di accoppiamento elettromagnetica, debole, forte a G µ seleziona i fermioni che interagiscono col gauge a Time travels la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre

4 : principi fondamentali della Meccanica Quantistica λ = p/h p x /2 materia ed energia sono sia onde sia particelle principio di indeterminazione di Heisemberg materia & energia descritte con campi ( funzioni d onda ) funzioni complesse definite nello spazio e nel tempo il modulo quadro è la probabilità di osservare materia ed energia nel punto e tempo indicato da meccanicismo e determinismo a ampiezze di probabilità (che interferiscono come onde) ma la meccanica quantistica rimane predittiva c è un indeterminazione irriducibile dello stato iniziale, che poi si conserva nel tempo (si aggiungono le incertezze di misura, che però in teoria sono riducibili a piacere) Time travels la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre

5 Simmetrie e conservazioni o invarianze relatività ristretta leggi della fisica invarianti per ristemi di riferimento inerziali trasformazioni di traslazione, rotazione, moto rettilineo uniforme di Lorentz la velocità della luce è invariante in tutti i SRI relatività generale include la relatività ristretta aggiunge invarianza leggi fisica tra sistemi con gravità e in sistemi accelerati meccanica classica (formulazione hamiltoniana e lagrangiana) fisica invariante per traslazione spaziale conservazione dell impulso fisica invariante per traslazione temporale conservazione dell energia fisica invariante per orientazione angolare conservazione del momento angolare meccanica quantistica relativistica simmetrie e invarianze ancora più centrali Time travels la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre

6 Pietre miliari della fisica teorica delle particelle fino ad oggi 1934: Fermi formula la teoria effettiva dei decadimenti deboli anni 1940: Feynman, Schwinger e Tomonaga formulano elettrodinamica quantistica anni 1960: Glashow, Weinberg e Salam formulano il Modello Standard, unificazione elettrodebole anni 1960, 1970: scoperta quark, costituenti di protone, neutrone e adroni formulazione cromodinamica quantistica, integrata perfettamente nel Modello Standard 1983: Rubbia e Van der Meer scoprono i bosoni intermedi W e Z 0 predetti dal Modello Standard anni 1990: scoperta delle oscillazioni dei neutrini i neutrini hanno massa 2012: scoperta del bosone di Higgs, predetto dal Modello Standard Time travels la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre

7 Teorie di gauge in MQR solo le teorie di gauge sono rinormalizzabili (predittive) simmetria locale di gauge della lagrangiana interazione con bosone vettore U(1) interazione elettromagnetica, 1 generatore, 1 bosone vettore: fotone SU(2) L interazione debole, 3 generatori, W +, W, Z 0 SU(3) interazione forte, 8 generatori, 8 gluoni problema: simmetrie di gauge violate da masse sia di fermioni che di bosoni vettori per questo è stato formulato il meccanismo di Higgs del Modello Standard Bosone di Higgs particella peculiare, spin zero, auto-interazione minimo dell energia corrisponde a campo diverso da zero: campo Higgs costante ovunque interazione con campo di Higgs identico ad avere una massa! bosone di Higgs corrisponde all oscillazione del campo intorno al valore di energia minima Time travels la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre

8 Simmetrie discrete P, parità: (x, y, z) ( x, y, z) C, carica: C a C a inversione di tutte le cariche di tutte le particelle T, inversione temporale: t t nel contesto della MQR CPT è necessariamente conservato, ma possono essere violati C, P, T Violazione di P e C esperienza comune: processi fisici invarianti per P, C e CP nel Modello Standard ciò è vero per interazioni forti, e.m. e gravitazionali le interazioni deboli violano in maniera massimale sia C che P interazione debole agisce solo con particelle levogire (e antiparticelle destrogire) scoperta nel 1947 (Chien-Shiung Wu) nei decadimenti del 60 Co Time travels la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre

9 Violazione di CP trasformazione CP trasforma da materia ad antimateria e viceversa CP conservata in prima approssimazione, ma violata in piccola misura CPV scoperta nel 1964 J.Cronin e V.Fitch, Nobel nel 1980 teoria di Kobayashi e Maskawa: CPV naturale nel MS se ci sono tre generazioni di particelle teoria confermata dalle misure di BABAR e Belle (iniziati nel 1999) Nobel 2008 a Kobayashi e Maskawa violazione di CP potrebbe spiegare asimmetria tra materia e anti-materia Teorema CPT le teorie (MQR) locali, causali e invarianti per trasformazioni di Lorentz, sono invarianti per CPT violazione di CP implica violazione di T e viceversa Time travels la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre

10 Particelle elementari e simmetrie punti materiali dotati di massa, spin, cariche per particelle senza massa l elicita di conserva la relatività ristretta di Einstein implica l esistenza di antimateria: antimateria = materia cui sono applicate CP (carica e parità) Time travels la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre

11 trasformazione di parità: spin invariato, impulso invertito di segno, elicita invertita trasformazione di carica: invertito il segno di tutte le cariche Time travels la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre

12 trasformazione CP: da materia ad antimateria e viceversa, l elicità si inverte trasformazione T, inverte impulso e spin, elicità invariata Time travels la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre

13 part. negativa levogira che si allontana = part. positiva destrogira che si avvicina CP e T sono trasformazioni analoghe da un certo punto di vista Time travels la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre

14 Evidenza sperimentale della violazione di T 2012: BABAR, prima misura diretta di violazione di T senza assumere conservazione di CPT fenomeno diverso rispetto alla freccia del tempo termodinamica e statistica (entropia) Time travels la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre

15 The arrow of time To the relief of physicists, time really does have a preferred direction Sep 1st 2012 from the print edition TIME seems to flow inexorably in one direction. Superficially, that is because things deteriorate with age and this, in turn, is because there are innumerably fewer ways to arrange particles in an orderly fashion than in a jumbled mess. Any change in an existing arrangement is therefore likely to increase its disorder. Dig a little deeper, though, and time s arrow becomes mysterious. A particle cannot, by itself, become Time travels la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre

16 Time travels la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre

17 Time travels la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre

18 PHYSICS WORLD REVEALS ITS TOP BREAKTHROUGHS FOR 2012 CERN discovers Higgs-like boson Majorana fermions Time-reversal violation Time travels la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre

19 Time travels la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre

20 Time travels la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre

21 Time travels la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre

22 Time travels la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre

23 Time travels la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre

24 Time travels la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre

25 Time travels la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre

26 Time travels la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre

27 Time travels la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre

28 Time travels la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre

29 Time travels la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre

30 Time travels la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre

31 Time travels la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre

32 Time travels la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre

33 Time travels la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre

34 Time travels la scienza oltre il mito, Prato, 2 novembre