Fisica subatomica A.A

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1 Fisica subatomica A.A Giuseppe Pagliara Orario lezioni: Martedi (10:30) Mercoledi (14:30) Giovedi (10:30) Esami: scritto+orale, date da concordare col docente

2 Programma e bibliografia Il corso ha lo scopo di introdurre alcuni concetti e nozioni fondamentali della fisica delle particelle elementari e della fisica nucleare Importante familiarizzare con scale (energia/lunghezza), ordini di grandezza, processi di scattering e decadimento, leggi di conservazione Prerequisiti: fisica classica, relativita' speciale (che verra' comunque ritrattata). Molto utile ricordare i concetti principali di Meccanica quantistica

3 Introduzione storica Spazio tempo di Minkowski, trasformazioni di Lorentz, quadrivettori velocita', momento Spazio tempo di Minkowski, trasformazioni Cinematica e dinamica relativistica Cenni di fisica nucleare e processi nucleari Processi di scattering e decadimento Il modello standard: interazione debole e interazione forte, particelle elementari, leggi di conservazione Il modello standard: interazione debole e

4 Testi: Particelle e nuclei, Povh, Rith, Scholz, Zetsche (Bollati Boringhieri) Relativita', Barone (Bollati Boringhieri) Quark and Leptons, Halzen, Martin (John Wiley & Sons) avanzato Particelle e interazioni fondamentali (Braibant, Giacomelli, Spurio), medio Particle Data Group (PDG) Wikipedia!! Libri da comodino: Understanding the Universe Don Lincoln, Facts and Mysteries in Elementary Particle Physics

5 FISICA II: Cariche elettriche positive e negative, quantizzazione e conservazione della carica elettrica, interazione elettromagnetica, forza di Lorentz, Eq. di Maxwell (1865), Onde, unificazione dei fenomeni elettrici, magnetici ed ottici! La migliore comprensione dei fenomeni elettromagnetici ha portato poi alla fine dell'ottocento a:

6 Fisica sperimentale: esperimento di Michelson- Morley (1887), violazione della relativita' galileiana Fisica sperimentale: -) scoperta dei Raggi-X (1895) tramite i tubi di Roentgen Interferenza dell onde EM Fisica teorica: Trasformazioni di Lorentz...Teoria della relativita' speciale di Einstein (1905) Non si conosceva ancora la natura dei raggi catodici -) scoperta della radioattivita' spontanea di alcuni elementi chimici da parte di Becquerell (1896) e successivi sviluppi dei Curie.. Come i raggi X anche questi raggi impressionano le lastre fotografiche

7 Fisica sperimentale: scoperta dell'elettrone nell'esperimento di Thomson (1897) Misura del rapporto carica massa dell'elettrone, circa 2000 piu' grande dello ione idrogeno (il protone)...tra le varie possibilita' Thomson ipotizzo' che la carica dell'elettrone fosse uguale a quella del protone e che la sua massa fosse 1/2000 di quella del protone, primo modello dell'atomo (1904)

8 Atomi radioattivi: Rutherford Rutherford (...Uranio, Radio, Polonio, Bario...) Tre tipi di radioattivita' (1902): 1) raggi alpha : carica positiva, pesanti, fortemente ionizzanti, assorbiti in pochi cm di aria 2) raggi beta: carica negativa, identici agli elettroni, penetrano per qualche decimo di mm in alluminio 3) raggi gamma: neutri, penetrano diversi cm di piombo Esperimento di Rutherford (1909): Idea fondamentale per tutta la fisica delle particelle: bombardare atomi con particelle α e studiarne la deflessione

9 «It was quite the most incredible event that has ever happened to me in my life. It was almost as incredible as if you fired a 15-inch shell at a piece of tissue paper and it came back and hit you. On consideration, I realized that this scattering backward must be the result of a single collision, and when I made calculations I saw that it was impossible to get anything of that order of magnitude unless you took a system in which the greater part of the mass of the atom was concentrated in a minute nucleus. It was then that I had the idea of an atom with a minute massive centre, carrying a charge.» Alpha stoped Il nucleo di H e' un costituente fondamentale di tutti i nuclei: scoperta del Protone

10 Scoperta del neutrone 1932 Chadwick: con semplici considerazioni cinematiche il neutrone deve avere circa la stessa massa del protone Tutti i nuclei sono composti da protoni e neutroni, Fisica Nucleare Tutta la materia costituita da: elettroni e nuclei, Fisica Atomica Modello atomico di Rutherford

11 ...ovviamente non e' la fine della storia Problema della stabilita' degli atomi: perche' l'elettrone non cade sul nucleo a causa dell'emissione di onde EM? Bohr quantization 1913 l'impossibilita' di spiegare gli spettri atomici, insieme ad innumerevoli altri puzzles osservativi (effetto fotoelettrico, corpo nero, diffrazione degli elettroni, ecc ecc) Meccanica quantistica non-relativistica: eq. Schroedinger 1926 (Schroedinger, Heisenberg, Pauli, Born, De Broglie...)

12 provando a unificare la teoria della relativita' ristretta e la Meccanica Quantistica: Equazione di Dirac: tra le altre implicazioni, in questa teoria si ottiene gratis lo spin e si prevede l'esistenza delle antiparticelle (stessa massa delle particelle ma carica opposta) La scoperta dell'antimateria arriva 5 anni dopo, Anderson, Nobel 1936 (raggi cosmici, traccia in una cloud chamber, stessa massa e valore di carica dell'elettrone. L'idea cruciale fu di rallentare la particella con un lastra di piombo in questo modo si poteva determinare la direzione della velocita qvbr=mv^2 )

13 ...altre antiparticelle, antiprotone nel 1955 Segre' & Chamberlain (Nobel 1959) Fermi (Nobel 1938): Esperimenti con neutroni lenti, fissione indotta dei nuclei, Pila di Fermi 1942, bomba atomica, reattore nucleare. Padre dell' Interazione debole

14 Il fatto che l'elettrone emesso in un decadimento Beta abbia uno spettro di energia aveva portato Pauli ad ipotizzare l'esistenza di una nuova particella, che portasse via la missing energy. Utilizzando questa ipotesi e l'equazione di Dirac, Fermi scrisse la prima lagrangiana per descrivere questa nuova forza responsabile dei decadimenti beta. Battezzo' inoltre la nuova particella neutrino Reines & Cowan 1952, prima direct detection del neutrino

15 Yukawa 1935, introdusse l'idea di una forza nucleare che tiene insieme i nuclei mediata dallo scambio di una particella. Il pione poi scoperto nel 1947 da Lattes, Occhialini & Powell nei raggi cosmici. Oltre ai raggi cosmici gli acceleratori di particelle... dal primo ciclotrone, Lawrence (Nobel 1939), per arrivare al moderno Large Hadron Collider di Ginevra f=bq/(2 Pi m)

16 Particle data group: quickin=y Il cosiddetto Zoo di particelle, era imbarazzante si credeva che i protoni neutroni elettroni e neutrini fossero le uniche particelle fondamentali come spiegare tutte le altre??

17 Il grande numero di atomi e la periodicita' delle loro proprieta' spiegata dal fatto che non sono fondamentali e indivisibili ma formati a loro volta da protoni-neutroni ed elettroni cioe' particelle piu' elementari Una simile idea venne utilizzata nel 1964 da Gell-Mann e Zweig per mettere ordine nel mondo degli adroni (le particelle soggette all'interazione nucleare/forte)

18 Quark model come i numeri quantici dell'atomo permettono di organizzarne la struttura cosi' in fisica adronica vengono introdotti i numeri quantici di isospin e stranezza che permettono di organizzare le particelle in multipletti.

19 Si possono spaccare gli adroni e isolarne i costituenti??

20 Esperimenti di deep inelastic scattering anni '60 (a SLAC ad ex.) hanno in effetti mostrato l'esistenza dei partoni, particelle elementari quarks e gluoni, confinamento. intanto sul versante teorico 1965 Feynmann Tomonaga Schwinger prendevano il Nobel per l' Elettrodinamica Quantistica (QED, una teoria di campo che dava risultati teorici (Lamb shift ad ex) in accordo con i risultati sperimentali con precisioni relative di 10-8 Sul modello della QED vengono costruite le teorie di gauge che descrivono l'interazione debole e l'interazione forte.

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22 State of the art

23 ultimo successo del modello standard, la scoperta del bosone di Higgs- - Luglio 2012

24 fine della Fisica fondamentale?? Problemi teorici

25 ...puzzling observations Matter antimatter asymmetry Bullet cluster, 22% dark matter (non sappiamo di cosa sia fatta, forse particelle SUSY) 75% of energy Dark energy, inflaton??

26 Onde gravitazionali (11/02/2016) un nuovo tool per studiare l'universo