Lev Borisovič Okun. Leptoni e quark. Editori Riuniti university press

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1 Lev Borisovič Okun Leptoni e quark Editori Riuniti university press

2 I edizione in questa collana: giugno 2011 Titolo originale: Leptony i kwarki Traduzione di Marcella Diemoz e Egidio Longo Copyright Edizioni Mir, Mosca 1986 Copyright Editori Riuniti Roma, 1994 Copyright Editori Riuniti University Press, 2011 di Gruppo Editoriale Italiano srl - Roma ISBN

3 8 Prefazione alla presente edizione 9 Prefazione all edizione russa 3

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8 Prefazione alla presente edizione Sono passati trent anni dalla pubblicazione di Leptoni e quark. Il successo della versione italiana, tradotta dal russo cinque anni dopo, ma ormai esaurita, ha convinto gli Editori Riuniti university press a fare una ristampa. Naturalmente i cambiamenti sostanziali avvenuti nella fisica delle particelle elementari in questi tre decenni suggeriscono di sottolineare i capitoli del libro che maggiormente sono stati toccati. Nel 1990 Okun, nella II edizione del libro (disponibile solo nell edizione russa), descrive quanto accaduto dal punto di vista sperimentale e teorico negli anni 80 e l impatto sui relativi capitoli del libro. Riteniamo utile riportare quanto l autore scrive nella prefazione: Il manoscritto della I edizione del libro era praticamente pronto alla fine degli anni 70. L evento più importante avvenuto negli anni 80 nella fisica delle particelle elementari è la scoperta dei bosoni W e Z. La scoperta, così come gli studi seguenti delle proprietà dei bosoni vettoriali, hanno confermato senza ambiguità le predizioni della teoria elettrodebole descritte nel libro. Il testo, per quanto riguarda la teoria elettrodebole, è stato aggiornato: mentre nella I edizione le proprietà dei bosoni W e Z sono descritte come attese, nella II sono descritte come confermate. L evento più importante che non è accaduto in questi anni è la scoperta del bosone di Higgs, ancora non rivelato sperimentalmente. La scoperta di questa particella è il punto fondamentale della fisica delle alte energie. Sfortunatamente le predizioni teoriche non sono diventate più precise, e neanche i modelli di Grandunificazione hanno avuto conferme sperimantali, di conseguenza i capitoli del libro non sono stati modificati. Grandi progressi sono stai fatti negli anni 80 negli studi sperimentali delle nuove particelle scoperte nel precedente decennio: il leptone tau, gli adroni con charm, i mesoni B. Tuttavia vi sono state sorprese: è stata confermata la grande variabilità delle vite medie dei mesoni con charm, la vita media del mesone B e l ampiezza delle sue oscillazioni si è rivelata inaspettatamente grande, la massa del quark t si è rivelata inaccessibilmente grande, e mentre questo non influiva sui dettagli della teoria descritta nel libro, la gran quantità di risultati sperimentali ha richiesto una significativa riscrittura dei capitoli dedicati a queste particelle. Quanto è accaduto nei due decenni seguenti ha due aspetti differenti. Da un lato il quark t è stato scoperto e una grande quantità di risultati sperimentali ha confermato pienamente quello che viene correntemente chiamato il modello standard delle interazioni fondamentali fissando con notevole precisione, usando anche considerazioni teoriche, gran parte dei parametri liberi quali le masse dei quark, dei leptoni e dei bosoni intermedi, le costanti di accoppiamento e gli angoli di mixing di Cabibbo-Kobayashi- Maskawa. D altra parte il bosone di Higgs non è ancora stato scoperto e, come detto sopra da Okun, resta sempre il primo nella lista delle priorità della fisica delle alte energie. Similmente non ci sono state conferme ai modelli di Grandunificazione ne si è avuta evidenza dell esistenza di particelle supersimmetriche. L entrata in funzione del Large Hadron Collider del Cern potrà probabilmente chiarire qesta situazione. Si è deciso di non aggiornare il capitolo 30 «Tavola dei valori sperimentali» come invece era stato fatto nella prima edizione del La mole di dati non lo permetterebbe e, forse, non sarebbe neanche utile dato che il sito internet del Particle Data Group, è la referenza più completa ed aggiornata per quanto riguarda le proprietà delle particelle elementari. Per concludere si può certamente dire che, dal punto di vista teorico, il libro conserva intatta tutta la sua validità di testo introduttivo alla teoria delle interazioni deboli delle particelle elementari. Federico Rapuano 8

9 Prefazione all edizione russa Questo libro è una introduzione alla teoria delle interazioni deboli delle particelle elementari. È basato sulle lezioni che impartisco presso l Istituto di Fisica Teorica e Sperimentale, agli studenti dell indirizzo di Fisica sperimentale delle alte energie del quinto corso dell Istituto Fisico-Tecnico di Mosca. Il libro è nato con lo scopo di delineare lo stato attuale della teoria delle interazioni deboli e le sue prospettive per gli anni 80. Volevo anche rendere familiari al lettore alcune semplici tecniche teoriche, il calcolo delle frequenze di decadimento, delle sezioni d urto, delle corre In un certo senso, la prima parte del libro (capp. 1-17) può essere considerata un illusione teorica delle ben note tavole delle particelle elementari, le cosiddette «Tavole di Rosenfeld», un estratto delle quali viene fornito alla fine del libro (cap. 30). Durante le lezioni gli studenti tengono queste tavole sui loro banchi e il risultato dei calcoli viene confrontato con i corrispondenti dati sperimentali. Questa stessa procedura viene raccomandata anche al lettore. La seconda parte del libro è principalmente un introduzione alla teoria di gauge unificata delle interazioni elettrodeboli (capp ). In questa parte si descrive il meccanismo di Higgs di rottura spontanea della simmetria e si discutono le proprietà previste per i bosoni intermedi e di Higgs. L accento è posto più sull aspetto fisico che su quello formale della teoria di gauge. In particolare viene discusso in dettaglio il ruolo delle correnti conservate e dei bosoni scalari nella rimozione della crescita troppo rapida delle ampiezze, caratteristica delle componenti longitudinali dei bosoni vettoriali. Due capitoli sono dedicati ai tentativi di costruire una teoria unificata di tutte le interazioni note: elettromagnetica, debole, forte (cap. 25) e gravitazionale (cap. 26). Il capitolo 27 contiene una breve digressione su astrofisica e cosmologia in relazione alle proprietà delle particelle elementari. Seguono infine una bibliografia ragionata (cap. 28) ed un appendice matematica (cap. 29) che il lettore è invitato a scorrere prima di iniziare la lettura del libro. Il libro è stato scritto per quei fisici sperimentali che hanno familiarità con la meccanica quantistica relativistica e con alcuni elementi di teoria quantistica dei campi, ma che possono aver dimenticato qualche dettaglio (questa condizione non è naturalmente necessaria). Ho cercato in genere di non utilizzare il linguaggio della tecnica degli operatori della teoria quantistica dei campi, lavorando solo in termini di diagrammi di Feynman. La maggior parte dei calcoli contenuti nel libro può essere affrontata dopo la lettura dei testi di R. P. Feynman Theory of fundamental processes e Quantum electrodynamics. Il mio obiettivo era di dimostrare quanto può essere calcolato, spiegato e persino predetto usando strumenti semplicissimi. In origine era mia intenzione scrivere un libro così semplice da renderne possibile la lettura anche in autobus. Non posso dire di aver raggiunto questo obiettivo dato che alcuni capitoli risultano difficili per uno studente. Per quanto riguarda l approccio fisico, il titolo del libro, Leptoni e quark, mostra chiaramente che il contenuto è basato sul modello a quark degli adroni. Di quark e gluoni si scrive ormai anche sui giornali, per non parlare dei numerossimi articoli divulgativi, per cui è difficile trovare uno studente di fisica che non conosca la simmetria di colore. Sono profondamente grato a Y. Y. Kloss e I. S. Semenov per la trascrizione delle mie lezioni, a E. G. Guljaieva e I. A. Terechova per la preparazione del manoscritto, a I. S. Zukerman per la compilazione delle tavole (cap. 30). Ringrazio tutti gli amici e colleghi, che hanno letto il manoscritto del libro, per i loro utili commenti. 9

10 Un particolare ringraziamento va a coloro che hanno condiviso con me dei lavori scientifici: A. I. Vainštein, M. B. Vološin, V. N. Gribov, A. D. Dolgov, V. I. Zacharov, Ya. B. Zeldovič, B. L. Ioffe, I. Yu. Kobzarev, V. A. Novikov, B. M. Pontecorvo e M. A. Šifman. Le nostre discussioni mi hanno permesso di chiarire molti degli argomenti trattati nel libro. I. B. Okun Nota alla prima edizione italiana La traduzione italiana del testo russo tiene conto di alcune variazioni già introdotte dall autore in occasione dell edizione inglese, ed altre segnalateci direttamente dall autore stesso. La parte del libro relativa ai bosoni vettoriali intermedi e alle loro proprietà rimane interamente valida anche alla luce della loro osservazione sperimentale, successiva alla stesura del testo. A questo riguardo abbiamo creduto opportuno limitarci a minime variazioni di forma quando questo sembrava strettamente necessario. Le tavole relative alle proprietà delle particelle elementari (cap. 30) sono state da noi interamente riviste ed aggiornate sulla base dell edizione 1984 del PDG (Rev. of Modern Physics, Vol. 56, 1984). M. Diemoz e E. Longo 10