Il Modello Standard delle particelle

Transcript

1 Il Modello Standard delle particelle 1. Quark leptoni Il Modello Standard, vuole descrivere sia la materia che le forze dell'universo. La bellezza di tale teoria è nella capacità di descrivere tutta la materia sulla base di poche particelle ed interazioni fondamentali. Esistono delle particelle che sono i costituenti fondamentali della materia. Il Modello Standard sostiene che le particelle fondamentali si dividono in 2 gruppi principali - i quark e i leptoni e ogni gruppo è costituito di 6 elementi (detti anche sapori). Esistono delle particelle che sono mediatrici di forza. Le interazioni tra le particelle fondamentali di materia avvengono tramite lo scambio di particelle mediatrici di forza (un esempio che svilupperemo in seguito, è il mediatore dell'interazione elettromagnetica, il fotone). Il Modello Standard è una buona teoria. Gli esperimenti l'hanno verificato con una incredibile precisione, e quasi tutte le sue previsioni si sono rivelate corrette. Ma il Modello Standard non spiega tutto, come ad esempio la forza gravitazionale. La materia che ci circonda è composta da soli tre tipi di particelle: gli elettroni, i protoni ed i neutroni, che si uniscono per formare gli atomi. In termini del Modello Standard le particelle fondamentali costituenti della materia sono i quark up e down (costituenti del protone e del neutrone) e il leptone elettrone. Ma perché il Modello Standard introduce nuove particelle oltre i quark up, down e l'elettrone? Per rispondere a questa domanda iniziamo il percorso introducendo le forze che agiscono tra le particelle fondamentali... Storicamente è avvenuto che osservando e studiando i meccanismi attraverso i quali le particelle interagiscono (anni 50 del secolo passato), i fisici hanno scoperto nuove ed inaspettate particelle (il muone e il kaone). In seguito, dal 1974 (scoperta della particella J/psi) al 1997 (scoperta del quark top) quasi tutte le altre particelle che completano il quadro predetto dal Modello Standard Modello standard cap-pag 1-1 /22

2 2. Interazioni In natura esistono quattro interazioni fondamentali, che sono alla base degli scambi di energia tra le particelle e che sono responsabili della struttura dell'universo. Queste sono l'interazione elettromagnetica, l'interazione forte, l'interazione debole e l'interazione gravitazionale. Prima di introdurle brevemente sono necessarie alcune piccole premesse. Come già accennato il Modello Standard descrive le interazioni tra le particelle fondamentali come uno scambio di una o più particelle mediatrici di forza che sono chiamate bosoni intermedi o quanti del campo di interazione. Queste particelle, trasportatrici dell'energia dell'interazione, vengono emesse e riassorbite dalle particelle interagenti. Per descrivere un'interazione è importante definire due quantità: il raggio d'azione e l'intensità. Il raggio d'azione di un'interazione è la distanza massima alla quale essa è influente. Ad esempio l'interazione gravitazionale ha un raggio d'azione infinito; per questo motivo il sole esercita la sua forza anche su pianeti lontanissimi come Plutone. L'intensità fornisce una misura dei rapporti di forza tra le interazioni di diversa natura. Modello standard cap-pag 2-2 /22

3 3. Interazione elettromagnetica L'interazione elettromagnetica è responsabile della struttura atomica e molecolare della materia e si manifesta nella nostra vita quotidiana in molti modi, dall'energia elettrica che utilizziamo nelle nostre case per accendere la luce e i vari elettrodomestici, ai segnali che portano nelle nostre case i programmi televisivi e radiofonici e ci permettono di comunicare con i nostri amici tramite il telefono cellulare. Al livello microscopico l'interazione elettromagnetica si manifesta tra tutte le particelle dotate di carica elettrica diversa da zero ed ha come mediatore dell'interazione (bosone intermedio) il fotone. Secondo il dualismo onda-corpuscolo l elettrodinamica quantistica QED elaborata da Heisenberg con il suo principio di indeterminazione descrive il fatto che l indeterminazione sulla posizione di un entita quantistica e legata all indeterminazione del moto. Le particelle hanno posizione e momento (o quantita di moto). La stessa indeterminazione si applica all energia/tempo: se prendiamo un certo volume di spazio vuoto e lo osserviamo per un certo periodo di tempo non possiamo essere sicuri della quantita di energia che contiene (piu breve e il periodo di tempo, meno sicurezza si ha sulla quantita di energia racchiusa in quel volume di spazio), Tale energia si puo presentare sotto forma di di fotoni o di piccolissime particelle (elettroni) a condizione che esista solo per il piccolo tempo consentito dal principio di indeterminazione. Tali particelle sono dette particelle virtuali e il processo e detto fluttuazione del vuoto. In particolare una particella carica come un elettrone nuota in un mare di particelle virtuali e di fotoni che durante la loro breve vita interagiscono con l elettrone stesso. Due particelle con la stessa carica elettrica (ad es. due elettroni) si respingono reciprocamente. Ma come avviene la repulsione? L'interazione fra due elettroni implica un fascio di fotoni (portatori della forza elettromagnetica) che passano da un elettrone all'altro e viceversa. Pensiamo a questi fotoni come a una grandinata di pallottole di mitragliatrice... allora ogni elettrone che emette un fascio di fotoni rincula, mentre al tempo stesso ogni elettrone che e' colpito da un fascio di fotoni è spinto via Più difficile è capire perché particelle di carica opposta (per esempio un elettrone e un protone) si attraggono, ma è proprio questo ciò che accade. Un'analogia che potrebbe esserci d'aiuto consiste nel pensare a un gruppo di atleti impegnati in un allenamento, che corrono lanciandosi reciprocamente una palla medicinale. Essi tendono ad avvicinarsi tra di loro perché altrimenti non sarebbero in grado di lanciarsi una palla cosi pesante! Modello standard cap-pag 3-3 /22

4 Al contrario nel mondo microscopico delle particelle, quest'attrazione funziona attraverso lo scambio di particelle molto leggere, come sono i fotoni che hanno massa nulla! Un flusso di fotoni emessi da un elettrone entrando in collisione con un protone, non lo spinge via ma lo attrae verso l'elettrone, e viceversa. Poiché hanno massa nulla, i fotoni una volta prodotti possono propagarsi su distanze enormi, anche percorrere l'intero universo! In altre parole il raggio d'azione dell'interazione elettromagnetica è infinito. Inoltre l'intensità dell'interazione elettromagnetica diminuisce tanto più le particelle interagenti si allontanano tra di loro. Modello standard cap-pag 3-4 /22

5 4. Interazione forte Abbiamo accennato che l'interazione elettromagnetica è responsabile della coesione tra gli elettroni e il nucleo negli atomi. Quando si scende alla scala del nucleo atomico, i protoni e i neutroni sono tenuti insieme da un'altra forza, l'interazione forte che impedisce al nucleo di disintegrarsi in conseguenza della repulsione elettromagnetica tra i protoni del nucleo. L'interazione forte non è però connessa direttamente a neutroni e protoni, bensì a uno strato di struttura più profondo al loro interno, al livello dei quark. L'evidenza sperimentale dell'esistenza dei quark proviene da una serie di esperimenti eseguiti alla fine degli anni Sessanta e negli anni Settanta, iniziati dai ricercatori della Stanford University in California. Questi esperimenti utilizzavano fasci di elettroni di elevata energia che venivano sparati contro i nuclei atomici. Lo studio della diffusione degli elettroni dopo l'urto con i nuclei mise in evidenza la struttura interna dei protoni e dei neutroni. Ogni protone e neutrone è composto invariabilmente di tre quark. Il carattere più interessante dei quark è che essi non vengono mai osservati isolatamente ma solo in triplette (particelle indicate con il nome di barioni, protoni e neutroni sono barioni) e coppie (particelle indicate con il nome di mesoni). I quark sono tenuti uniti dallo scambio delle particelle mediatrici della forza forte. Quando si trattò di dare un nome a queste particelle, i fisici si permisero una piccola battuta: queste particelle sono state chiamate gluoni perché incollano (in inglese glue vuol dire colla) i quark l'uno all'altro. Anziché pensare ai gluoni fra due quark come a un fascio di particelle, dobbiamo immaginarli come un robusto elastico che unisce i quark. Quando i quark sono vicini, l'elastico è allentato e i quark possono muoversi l'uno relativamente all'altro, ma quando i quark cercano di allontanarsi fra loro (anche disponendosi semplicemente ai due lati opposti di un protone) l'elastico si tende e li attrae l'uno verso l'altro. Quanto più essi si allontanano tanto più l'elastico si tende, e tanto più fortemente essi sono attratti. Quindi l'intensità dell'interazione forte aumenta all'aumentare della distanza delle particelle interagenti (i quark in un barione o in un mesone) ma il raggio d'azione dell'interazione forte è estremamente piccolo, sufficiente per garantire l'integrità dei nuclei atomici, circa 1 fm. Così come l'interazione elettromagnetica avviene solo tra particelle dotate di carica elettrica, l'interazione forte avviene solo tra particelle composte di quark. Ciò è dovuto al fatto che i quarks trasportano un nuovo tipo di carica, la carica di colore. Diversamente dalla carica elettrica, la carica di colore non si presenta nel mondo quotidiano. E` chiamata carica di colore perché le regole per combinare i quark in barioni (particelle con tre quark) e/o in mesoni (particelle con due quark) ricordano le regole per ottenere la luce bianca dai colori primari, ma in realtà questo tipo di carica non ha alcuna vera connessione con i colori reali. Modello standard cap-pag 4-5 /22

6 5. Interazione debole La forza debole è quella che si discosta di più dalla nozione di forza della nostra esperienza quotidiana. L'interazione debole non contribuisce tanto alla coesione della materia quanto alla sua trasformazione. Come esempio consideriamo una particolare manifestazione delle interazioni deboli, il decadimento beta: la trasformazione di un neutrone in un protone più un elettrone e un antineutrino elettrone. I fotoni e i gluoni possono essere creati a partire da energia pura (es. quando si accende la luce) mentre il numero di particelle (elettroni, quark) sono gli stessi dal big bang. Per creare una particella a partire da energia, occorre produrre un antiparticella. Seguiamo le singole fasi di questa trasformazione: disegno 1: lo stato iniziale e` un neutrone composto di due quark down e un quark up disegno 2: un quark down interagisce con il campo associato dell'interazione debole ed emette il mediatore di quel campo, il bosone intermedio W, trasformandosi in un quark up. Nota: la carica iniziale del quark down è -1/3, mentre la carica finale è la somma della carica del quark up (2/3) e del bosone W (-1). Questo vuol dire che la carica totale in un processo di trasformazione o come tecnicamente si dice di decadimento debole, si conserva. disegno 3: il neutrone iniziale è ora diventato un protone (ricordiamo che un protone è composto di due quark up e di uno down) Modello standard cap-pag 5-6 /22

7 disegno 4: il bosone W decade in un elettrone (carica elettrica -1) e in un anti-neutrino privo di carica elettrica. Anche in questo passaggio la carica elettrica è conservata disegno 5: nello stato finale l'elettrone e l'antineutrino si allontanano dal protone. Il processo appena descritto è alla base del fenomeno della radioattività di alcuni atomi come l'uranio 238. In generale le interazioni deboli sono responsabili del decadimento di quark e leptoni e nella fusione nucleare nelle stelle Le particelle mediatrici delle interazioni deboli sono due bosoni W, uno con carica elettrica positiva ed uno con carica elettrica negativa, e un bosone Z con carica elettrica nulla, tutti e tre hanno massa diversa da zero. Il raggio d'azione della forza debole è estremamente piccolo, al limite possiamo dire che è puntiforme, cosicché è improbabile che due particelle si trovino abbastanza vicine da sentire l'una la forza dell'altra. Il raggio d'azione della forza è così piccolo perché i bosoni W e Z che la mediano sono molto pesanti (il bosone W è 85 volte la massa del protone, mentre il bosone Z è 97 volte la massa del protone), così pesanti che è difficile per due particelle scambiarseli! Ne segue che anche l'intensità relativa delle interazioni deboli è estremamente piccola, tanto piccola che i processi di decadimento sono in generale eventi molto rari. Negli anni Settanta le interazioni deboli ed elettromagnetiche sono state descritte in un unica teoria delle interazioni elettrodeboli, ad opera di S. Glashow, A. Salam e S. Weinberg (insigniti del premio Nobel per la fisica nel 1979) che realizzarono, dopo l'unificazione delle interazioni elettriche e magnetiche eseguita da Maxwell, un ulteriore passo in avanti verso l'unificazione di tutte le forze fondamentali. La fissione nucleare e il fenomeno per cui il nucleo di un atomo di uranio si scinde in due nuclei di massa leggermente inferiore liberando una quantita notevole di energia secondo la formula E= m c 2 : dove m e la differnza tra la massa del nucleo e la somma delle singole masse Modello standard cap-pag 5-7 /22

8 Figura: La fissione nucleare. Fonte: L universo in un guscio di noce Stephen Hawking Modello standard cap-pag 5-8 /22

9 6. Interazione gravitazionale L'interazione gravitazionale è la più debole delle quattro forze, ma è quella a noi più familiare nella vita quoditiana e fu la prima a essere studiata scientificamente. In qualsiasi pezzo di materia la gravità di tutte le singole particelle che lo compongono, si somma. Non esiste per la gravità una cancellazione come quella fra le cariche elettriche positive e negative in un atomo. Quindi anche se molto minore di intesità delle altre forze, a livello macroscopico la gravità, proprio per la sua addittività, produce effetti molto grandi. Il raggio d'azione della gravità è infinito come quello dell'elettromagnetismo, e come accade per l'interazione elettromagnetica, l'intensità dell'interazione gravitazionale diminuisce all'aumentare della distanza tra i corpi interagenti. La gravità è chiaramente un'interazione fondamentale della natura, ma la teoria del Modello Standard non è ancora in grado di spiegarla e di inserirla in modo soddisfacente in un quadro completo delle quattro interazioni fondamentali. Questo è uno dei principali problemi aperti della fisica moderna. Inoltre il mediatore della gravità, per il quale si fa l'ipotesi che si tratti di una particella di massa nulla (il gravitone), non è stato ancora sperimentalmente osservato. L'intensità relativa delle quattro forze fondamentali della natura può essere espressa in rapporto all'intensità della forza forte. Se poniamo l'intensità della forza forte uguale a 1, l'intensità, molto arrotondata, della forza elettromagnetica, è di circa 10-2, l'intensità della forza debole è di L intensità della gravità è volte minore della interazione elettromagnetica.. Ricordiamo che la forza debole e la forza forte hanno entrambe un raggio d'azione molto limitato, operando a una scala assai minore delle dimensioni di un atomo. Mentre la forza elettromagnetica e quella gravitazionale hanno un raggio d'azione infinito. Modello standard cap-pag 6-9 /22

10 7. Particelle mediatrici Infine ricordiamo le particelle mediatrici delle quattro interazioni fondamentali e le particelle sulle quali agiscono... Il gravitone (interazione gravitazionale) agisce su tutte le particelle. Il gluone (interazione forte) agisce su i tutti i quark, il fotone (interazione elettromagnetica) agisce su tutte le particelle dotate di carica elettrica, quindi su tutti i quark e su elettrone, muone e tau. I bosoni intermedi Z 0, W + e W - (interazione debole), agiscono su tutte le particelle. Oltre a questi bosoni (quanti di campo) esiste il campo di Higgs che interagisce con le particelle e assegna loro una massa. Le particelle prive di massa nel campo di Higgs incontrano una resistenza che sembra dotarle di una massa la cui quantita dipende dalla natura della singola particella e dalla frequenza del campo di Higgs. A tale campo e associato il bosone di Higgs. L interazione elettromagnetica e quella debole si unificano a una certa energia anche l interazione elettromagnetica e quella forte si unificano a un altra energia e l interazione debole e quella forte si unificano a un altra energia. Le tre unificazioni si fondono alla medesima energia di Gev che va sotto il nome di supersimmetria o SUSY e afferma che i fermioni si possono trasformare in bosoni e viceversa mediante partner supersimmetrici dette particelle SUSY che hanno una grande massa e sono instabili. In questa supersimmetria i neutrini devono avere massa non nulla!! Modello standard cap-pag 7-10 /22

11 8. Antiparticelle, materia esotica L'elettrone e la coppia di quarkup e down sono i mattoni fondamentali della materia stabile presente nell'universo, ma come abbiamo già accennato introducendo il Modello Standard il quadro delle particelle fondamentali è molto più complesso. Innanzi tutto ogni particella è accompagnata da una antiparticella... ma non basta. Nelle interazioni con scambi di elevata energia che avvengono naturalmente (Raggi Cosmici) o che sono artificialmente prodotte in laboratori come quelli dei Laboratori Nazionali di Frascati (LNF) dell'infn sono prodotte una grande varietà di particelle effimere, che in breve tempo si trasformano in particelle sempre più leggere fino ad assumere la forma della materia ordinaria che già abbiamo imparato a conoscere. Queste particelle effimere vengono indicate con il nome di materia esotica. Sono i leptoni muone e tau, tre tipi di neutrini che non decadono, e particelle i cui costituenti sono i quark strano, charm, beauty, e top, tutti previsti dal Modello Standard. La materia esotica seppure di minore importanza per spiegare l'universo così come ci si presenta, è essenziale per capire la sua nascita (il famoso Big Bang) e la sua evoluzione fino ai nostri giorni. Le particelle materiali (leptoni e quark) si presentano in famiglie, che la figura ci aiuta a visualizzare. I leptoni si distinguono in sei sapori (sì!... la scelta del nome sapore si fonda proprio sull'analogia col gelato!): l'elettrone (e), il neutrino-elettrone, il muone (mu), il neutrino-muone, il tauone (tau) e il neutrino-tau. L'elettrone, il muone, e il tauone hanno tutti carica elettrica negativa (-1), e sembrano differire l'uno dall'altro solo per avere masse diverse. Se esprimiamo le masse in rapporto alla massa del protone, otteniamo che l'elettrone è 1836 volte più leggero, il muone è 9 volte più leggero e il tauone è quasi 2 volte più pesante del protone. Ad ogni particella e, mu e tau è associata una particella detta neutrino che non trasporta alcuna carica elettrica. La massa dei neutrini non è ancora stata misurata con precisione, ma noi sappiamo che è molto piccola... quasi nulla! Nel 1995 un gruppo di fisici del laboratorio di Los Alamos hanno annunciato di aver misurato un possibile intervallo di valori per la massa del neutrino: da a un milione di volte inferiore a quella dell'elettrone! Nota. Poiché i neutrini non hanno né carica elettrica né carica di colore (ricordiamo che la carica di colore è una caratteristica esclusiva dei quark) interagiscono con la materia che li circonda solo grazie alla forza debole. Ma la forza debole è causa di eventi estremamente rari, talmente rari che i neutrini sono in grado di attraversare l'intera massa terrestre senza subire alcuna interazione! Modello standard cap-pag 8-11 /22

12 Ovviamente ci sono anche le corrispondenti antiparticelle I leptoni più pesanti, i mu e i tau, si trasformano velocemente (tramite interazione debole) in leptoni più leggeri. I fisici hanno osservato molti di questi decadimenti e hanno scoperto che le regole secondo le quali queste particelle decadono possono essere spiegate se dividiamo i leptoni in tre famiglie o generazioni: l'elettrone e il suo neutrino, il muone e il suo neutrino, il tauone e il suo neutrino. Nel processo di trasformazione di un leptone il numero dei membri di ogni famiglia prima e dopo la trasformazione deve restare costante. Lo schema dei quark è molto simile a quello dei leptoni. Ci sono sei sapori di quark: up (u), down (d), strange (s), charm (c), bottom (b), e top (t), in ordine di massa crescente. Ponendo uguale a 1 la carica di un elettrone, i quark up, charm e top hanno una carica di -2/3, mentre i quark down, strange e bottom hanno una carica di 1/3. Anche i quark si presentano in tre famiglie organizzate per massa crescente. Posta uguale a 1 la massa del protone, il quark up ha massa pari a circa 1/235, il quark down 1/135, il quark strange 1/6, il quark charm 1,6, il quark bottom 5,2 e il quark top 170. Si deve peraltro aggiungere che le masse dei quark sono state misurate finora solo con una precisione attorno al 20 per cento. Modello standard cap-pag 8-12 /22

13 Anche qui troviamo le corrispondenti antiparticelle Riassumendo, i mattoni fondamentali di tutta la materia visibile nell'universo sono le particelle della prima famiglia o generazione (quark up e down, e gli elettroni). Questo perché tutte le particelle della seconda e terza generazione sono instabili e si trasformano velocemente nelle particelle stabili della prima generazione. Ma perché le particelle fondamentali si presentano in famiglie? E perché sono 3?... perché non soltanto una, la prima?... che è quella sufficiente per descrivere il mondo che ci circonda così come è adesso? Non lo sappiamo... e senza capire perché la seconda e la terza generazione di particelle esistono, non possiamo scartare la possibilità che esistano altri quark e leptoni che ancora non sono stati scoperti. O forse la risposta è che i quark e i leptoni non sono fondamentali... Modello standard cap-pag 8-13 /22

14 9. Plasma di quark e gluoni Il plasma di quark e gluoni, in inglese detto Quark Gluon Plasma, è uno stato della materia in cui i quark e i gluoni sono liberi e non legati tra loro come nella materia ordinaria. il QGP è esistito in natura pochi istanti dopo la nascita dell universo e attualmente potrebbe esistere nella parte centrale delle stelle a neutroni 10 6 sec 10 4 sec 3 min 15 Milioni di anni La materia ordinaria è composta da atomi che sono a loro volta formati da un nucleo composto di protoni (p) e neutroni (n), e da elettroni (e) che circondano il nucleo. Mentre gli elettroni non sono composti da altre particelle i protoni e i neutroni contengono al loro interno particelle elementari: i quark. Vi sono in natura sei tipi di quark chiamati: up, down, charm, strange, top e bottom. Per ogni quark esiste la sua antiparticella: antiup, antidown, anticharm, I protoni per esempio sono composti da due quark up e un quark down, mentre il neutrone è formato da due quark down e uno up. protone neutrone Rappresentazione schematica dell atomo (non in scala) La parte centrale più scura è il nucleo formato da neutroni e protoni. Raggio nucleo ~ m. I puntini neri intorno al nucleo sono gli elettroni Raggio atomo ~ m Modello standard cap-pag 9-14 /22

15 10. Barioni, mesoni Particelle di due o tre quark. Le particelle composte da tre quark come il protone e il neutrone vengono dette barioni.in natura oltre alle particelle composte da tre quark o da tre antiquark vi sono anche particelle composte da un quark e un antiquark: i mesoni. Barioni e mesoni sono anche detti adroni. Di tutte le particelle composte da quark solo i protoni e i neutroni nei nuclei sono stabili, mentre le altre sono instabili ossia tendono a trasformarsi in tempi brevissimi in altre particelle.. barione mesone In natura i quark sono confinati negli adroni. Ossia non possono esistere quark liberi ma solo imprigionati all interno di particelle composte. All interno di un protone sono confinati tre quark. La forza che lega i quark all interno del protone e detta forza o interazione forte. La forza forte e prodotta dallo scambio di gluoni tra i quark, ossia i quark emettono e assorbono continuamente particelle di massa nulla dette gluoni. La caratteristica principale di questa forza e di aumentare la sua intensita man mano che i quark si allontanano tra loro. Questa proprieta della forza forte da origine al confinamento. In definitiva quark e gluoni sono sempre confinati all interno di particelle composte: gli adroni. Modello standard cap-pag /22

16 11. Transizione di fase La teoria standard prevede che portando la materia ad altissime densita o ad altissime temperature, si raggiunga uno stato in cui i quark e i gluoni sono liberi, non piu confinati. Questo stato viene detto Quark Gluon Plasma (QGP). Il passaggio dalla materia ordinaria allo stato di QGP viene detto: transizione di fase. Un esempio comune: la transizione di fase dell acqua. La transizione di fase a cui siamo abituati è quella dell acqua. L acqua può passare dallo stato gassoso a quello liquido (transizione di fase) a seconda del valore di temperatura e pressione a cui si trova. L acqua è composta da molecole che continuamente si urtano tra loro. Il numero di molecole per quantitá di volume e la loro energia determinano la pressione. La temperatura é invece dovuta all energia cinetica delle molecole. Il diagramma di fase mi dice in che stato si trova l acqua a seconda dei valori che ha di pressione e temperatura. Per esempio l acqua allo stato liquido a pressione ambientale puó passare allo stato gassoso se riscaldata a una temperatura superiore a 373 K (ossia 100 oc). Mentre la pressione resta costante la temperatura cresce, quando supera i 373 gradi Kelvin (ossia 100 C) l acqua da liquida diventa gassosa L esempio dell acqua dimostra come il passaggio di fase é legato a valori assunti da determinate quantitá fisiche, nel caso dell acqua: temperatura e pressione. Nel caso di trasizione di fase tra materia ordinaria e QGP le quantitá fisiche in gioco sono: Temperatura e Densitá di barioni. Un modo di creare un alta densitá barionica consiste nell ammassare protoni e neutroni in uno spazio piccolissimo. Continuando ad aggiungere protoni e neutroni, questi iniziano a compenetrarsi e i quark di un protone si avvicinano molto ai quark di un altro protone o di un neutrone. Aumentando la densita di materia si giunge ad un punto in cui i legami tra i quark all interno di un protone si confondono con quelli di un altro e quindi si spezzano. A questo punto i quark e i gluoni non appartengono piú a un singolo protone o neutrone ma sono liberi di muoversi nella zona ad alta densitá formando il QGP. Bassa densitá (materia ordinaria). I quark di un adrone sono totalmente separati da quelli di un altro adrone Modello standard cap-pag /22

17 Alta densitá (QGP). I quark di un adrone si confondono con quelli di un altro adrone e sono cosí liberi di muoversi all interno della zona ad alta densitá Un altro modo di produrre la transizione di fase da materia ordinaria a QGP consiste nel portare un insieme di adroni ad altissime temperature. In questa situazione gli adroni e di conseguenza i quark al loro interno acquistano un energia cinetica tale da vincere la forza forte che in condizioni normali li mantiene confinati. I quark e i gluoni sono cosí liberi di muoversi nella zona di altissima temperatura. Si forma il QGP. Situazioni intermedie con alte densità barioniche ed alte temperature possono ugualmente condurre alla transizione di fase con creazione di QGP. Il grafico della transizione di fase della materia nucleare. Il grafico si divide in due parti. La parte inferiore alla curva verde rappresenta la fase adronica, la parte superiore la fase di QGP. Nella parte inferiore a basse densità barioniche si trova la materia adronica (gas adronico) composta in prevalenza da pioni. Anche la materia nucleare ordinaria (il nucleo di un atomo) si trova nella parte inferiore ed ha una densità di ρn~ 1014gr/cm3. Dal grafico appare che si puo avere formazione di QGP quando la densità barionica è 5 volte la densita nucleare (5 ρn) oppure a T= K e densità barioniche vicine allo zero. Sono valori a cui non siamo assolutamente abituati. Si pensi che la temperatura al centro del Sole e T= K. In natura pero questi altissimi valori di temperatura sono stati raggiunti pochi istanti (10-6s) dopo il Big Bang. Attualmente si pensa possa esistere anche uno stato di QGP a temperature basse ma densità barioniche altissime (ρ~ gr/cm3) nel nucleo delle stelle a neutroni. Modello standard cap-pag /22

18 Diagramma di fase della materia nucleare Si ritiene che lo stato di QGP sia gia esistito in natura nei primi microsecondi dopo la nascita dell Universo, il Big Bang. Durante l espansione cosmologica iniziale dell Universo si sono verificate condizioni di temperatura e densita di materia tipiche dello stato di QGP. Nell espandersi, l Universo si è raffreddato dando la possibilità agli adroni e a tutta la materia stabile, che conosciamo, di formarsi. I quark e i gluoni vengono a trovarsi così in uno stato confinato. Produrre in laboratorio il QGP e quindi rilevante sia per la comprensione delle leggi che regolano la materia sub-nucleare sia per le implicazioni astrofisiche che ne derivano Modello standard cap-pag /22

19 12. LHC Per produrre in laboratorio lo stato di QGP bisogna creare altissime temperature o altissime densita di materia. Per ottenere queste condizioni i fisici fanno scontrare tra di loro ioni pesanti di altissime energie ( TeV). Uno ione e un atomo in cui sono stati tolti alcuni elettroni, nel nostro caso all atomo vengono tolti tutti gli elettroni. L atomo rimane con il solo nucleo composto da protoni e neutroni. Per esempio un atomo di piombo (Pb) contiene nel suo nucleo: 82 protoni e 126 neutroni, intorno al nucleo ruotano 82 elettroni. Possiamo creare uno ione Pb estraendo tutti gli 82 elettroni, lo ione Pb ha cosi solo piu 82 protoni e 126 neutroni, la carica totale quindi risulta essere Lo ione cosí creato viene poi accelerato da opportuni acceleratori di particelle Ioni piombo Urti tra ioni pesanti. Si utilizzano due tecniche per fare scontrare gli ioni pesanti tra di loro: Si accelerano ioni pesanti (per esempio Pb) fino a che raggiungono energie elevate e poi li si invia contro bersagli composti da lamine di piombo. Questa tecnica e detta a bersaglio fisso perche solo lo ione si muove mentre il bersaglio rimane fermo. Si accelerano ioni in una direzione e altri ioni in direzione opposta ai primi e li si fa scontrare, l urto e cosi frontale e l energia dell urto e molto piu elevata del primo caso. Questa tecnica viene chiamata collider e anche l acceleratore viene detto Collider. La prima tecnica e stata utilizzata al Cern dal 1982 con l acceleratore SPS accelerando ioni di diverso tipo fino al Pb ad un' energia dello ione di quasi 33 TeV. La seconda tecnica e attualmente utilizzata al Collider RHIC di Brookhaven negli USA accelerando ioni oro (Au) e facendoli scontrare tra loro ad energia di quasi 40 TeV per ione. Lo scontro ha quindi un' energia di 80 TeV. Modello standard cap-pag /22

20 Urti tra ioni Piombo (Pb) ad altissma energia e formazione del QGP Nel 2007 al CERN e entrato in funzione un nuovo acceleratore denominato LHC, si tratta di un Collider. Uno dei suoi compiti sará quello di fare scontrare tra di loro ioni Pb a energie mai raggiunte prima. Ogni ione avra una energia di quasi 560 TeV. Lo scontro avra quindi una energia totale di 1120 TeV. In questi urti la zona di interazione tra i due ioni raggiungera valori di densita di materia altissimi circa 6000 volte la densitá della materia nucleare ordinaria. Si formerá cosí in una regione piccolissima di circa 100 fm3 lo stato di QGP in cui per un tempo brevissimo i quark e i gluoni saranno liberi. Dopo di che la regione si espanderá diminuendo la densitá di materia e la temperatura ed in tempi di secondi si raffredderá I quark e gluoni ritorneranno così ad essere confinati negli adroni e alla fine del processo saranno emesse circa particelle cariche che dovranno essere rivelate e studiate L acceleratore LHC e l esperimento ALICE Modello standard cap-pag /22

21 La formazione di QGP fa si che per un brevissimo periodo subito dopo l interazione quark e gluoni siano liberi. Dopo di che questi si ricombinano nuovamente a formare adroni. Sperimentalmente con i rivelatori non si rivelano i quark e gluoni liberi, perché il tempo in cui sono liberi é troppo piccolo, ma gli adroni che questi formano ricombinandosi e che chiamiamo adroni dello stato finale. Lo stato finale degli adroni é comunque molto diverso a seconda che si sia formato il QGP oppure no. Confrontando quindi gli urti normali, in cui sappiamo che non si é formato il QGP, con gli urti in cui pensiamo si sia formato il QGP dobbiamo allora riscontrare delle differenze. Ed in effetti i risultati sperimentali degli ultimi anni hanno riscontrato queste differenze indicando quindi che in alcuni urti particolari si é avuta la formazione di QGP. Queste specie di firme che il QGP lascia nello stato finale vengono dette segnature Evoluzione spazio-temporale di un urto Pb-Pb Le segnature del QGP. Come abbiamo visto le segnature del QGP sono date dalle differenze delle particelle rivelate tra urti normali e quelli in cui si è formato il QGP. Senza entrare in dettagli tecnici facciamo un elenco di alcune di queste segnature dovute alla formazione di QGP: Una particella particolare chiamata J/Psi formata da un quark charm (c) e uno anticharm (C) viene prodotta meno frequentemente del normale se si forma lo stato di QGP. Alcune particelle che contengono il quark strange vengono invece prodotte piú abbondantemente rispetto al normale se si ha formazione di QGP. La formazione di jet, ossia gruppi di particelle vicine che viaggiano nella stessa direzione, viene ostacolata dalla formazione del QGP. I quark charm e anticharm fanno difficoltà ad incontrarsi e riunirsi se sono circondate da altri quark e gluoni liberi come nello stato di QGP. Per questo motivo la particella J/Psi formata dall unione di questi due quark viene prodotta meno frequentemente se si forma lo stato di QGP (soppressione della J/Psi). Modello standard cap-pag /22

22 Per capire se si e formato lo stato di QGP e studiarne le proprieta occorre rivelare e analizzare nel dettaglio le caratteristiche delle migliaia di particelle che si sono formate dopo l urto. E necessario quindi costruire un esperimento in grado di misurare le caratteristiche di queste particelle quali: massa, carica, energia, traiettoria. Questo esperimento e chiamato ALICE ed e composto di molti rivelatori ciascuno con caratteristiche specifiche che sono stati installati nel 2006 in una zona dell acceleratore LHC dove avvengono gli urti Pb-Pb. La parte centrale di ALICE e composta da rivelatori a forma di cilindro che circondano il punto di interazione. Il cilindro piu vicino al punto di interazione viene a sua volta circondato da un cilindro piu grande e cosi via per i cilindri successivi, uno sovrapposto all altro. Una seconda parte di ALICE detta in avanti e composta di rivelatori in grado di rivelare alcuni tipi di particelle (muoni) emesse in avanti rispetto all urto L apparato sperimentale ALICE Modello standard cap-pag /22