Introduzione. Fenomenologia delle Interazioni Forti. Diego Bettoni Anno Accademico

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1 Introduzion Fnomnologia dll Intrazioni Forti Digo Bttoni Anno Accadmico

2 Programma dl Corso Introduzion Il Modllo Standard (SM) Misur di paramtri dllo SM Ricrca dl boson di Higgs Introduzion alla QCD alla fisica adronica Spttroscopia dl charmonio Rivlatori di particll Fattori di forma lttromagntici (P. Frrtti) (in marzo) Funzioni di struttura (P. Frrtti) (in marzo) D. Bttoni Fnomnologia Intrazioni Forti

3 Framwork Torico Mccanica Toria di Campo Quantistica Quantistica Rlatività Rlativistica Intrazion Scambio di Quanti Lagrangiana Calcolo di σ, Γ,... Simmtria Intrazion Tori di Gaug D. Bttoni Fnomnologia Intrazioni Forti 3

4 Intrazioni Forza Gravità Dbol Elttromagntica Fort Toria Classica Grand Toria Elttrodbol Unificazion QED QCD? D. Bttoni Fnomnologia Intrazioni Forti 4

5 Particll I Quarks Q = + 3 quark libro quark costitunt d 15 MV/c 330 MV/c u d c s t b u 7 MV/c 330 MV/c s 00 MV/c 500 MV/c c 1.3 GV/c 1.5 GV/c B = Q = 3 3 colori b 4.8 GV/c 5 GV/c t 180 GV/c 180 GV/c D. Bttoni Fnomnologia Intrazioni Forti 5

6 Particll II Lptoni ν ν µ µ ν τ ν < 3 V/c ν µ < 0.19 MV/c τ ν τ < 18. MV/c MV/c µ MV/c Numro Lptonico Mass di nutrini Oscillazioni di nutrino τ 1777 MV/c D. Bttoni Fnomnologia Intrazioni Forti 6

7 Particll III Bosoni Bosoni di Gaug boson intrazion J P Massa (GV/c ) graviton gravitazional + 0 W ± dbol ± Z ± foton, γ lttromagntica 1-0 gluon, G fort 1-0 Bosoni di Higgs D. Bttoni Fnomnologia Intrazioni Forti 7

8 Il nostro univrso è formato da particll dlla prima famiglia. L gnrazioni succssiv vngono prodott agli acclratori di particll ni raggi cosmici di altissima nrgia. Grarchia di struttur. I quark (colorati) sono lgati dalla forza fort ngli adroni (privi di color): la forza di color rsidua all strno dgli adroni li lga ni nucli. I nucli (carica positiva) gli lttroni (carica ngativa) sono lgati dalla forza lttromagntica ngli atomi (lttricamnt nutri): la forza lttromagntica rsidua all strno dgli atomi li lga in molcol. Particlla Antiparticlla D. Bttoni Fnomnologia Intrazioni Forti 8

9 Elmntarità: i quark i lptoni sono puntiformi? Oppur trovrmo ch hanno una struttura intrna? Simmtria: l simmtri dtrminano l intrazioni. Unificazion: tutt l intrazioni hanno una origin comun ( una stssa intnsità) ad una opportuna scala di nrgia. Idntità: capir l origin dll mass di mixing. D. Bttoni Fnomnologia Intrazioni Forti 9

10 Sull origin dlla massa Mass dgli atomi capit in trmini dll mass di nucli, dgli lttroni dlla QED. Massa di nucli capit in trmini dlla massa dl p, n dll forz nuclari. Mass dl proton dl nutron: scondo la QCD l mass dgli adroni lggri sono dominat dall nrgia di intrazion tra quark (confinmnt nrgy): tutto da dimostrar! D. Bttoni Fnomnologia Intrazioni Forti 10

11 Mass nl Modllo Standard M W = g v = G F πα sin θ W M Z = M cos W θw v = G F 1 = 46 GV g = gaug coupling θ W = paramtro di mixing dbol W Pr i frmioni l mass drivano da altrttanti trmini di Yukawa (intrazion con il campo di Higgs), non calcolabili, la cui origin è ignota. [ R ( L) ( L ) R] + LYu = ζ ϕ + ϕ L = ν R = R m f ζ f v = ζ 3 10 ζ t 1 L 6 D. Bttoni Fnomnologia Intrazioni Forti 11

12 L intrazion Dbol

13 La Radioattività Natural Scoprta nl 1896 da H. Bcqurl (un anno prima dlla scoprta dll lttron prima ch si conoscssro i nucli atomici!!!) Tr tipi di radiazion, classificati da Ruthrford: raggi α. Facili da assorbir. Dviati poco da campi magntici (carica positiva, alta massa). I raggi α mssi da un dtrminato isotopo sono mononrgtici. raggi β. Più difficili da assorbir di raggi α. Dviati molto da campi magntici (carica ngativa, bassa massa). raggi γ. Nssuna dviazion in campo magntico, molto difficili da assorbir. Oggi sappiamo ch i tr tipi di radiazion sono dovuti ai tr tipi di intrazion: α fort, β dbol, γ lttromagntica. D. Bttoni Fnomnologia Intrazioni Forti 13

14 Il dcadimnto β nuclar I primi studi sui raggi β rivlarono du proprità fondamntali di qusto tipo di radiazion: Erano idntici ai raggi catodici (lttroni). Il loro spttro di nrgia ra discrto (com qullo di raggi α) Lo studio dll assorbimnto di raggi β smbrava indicar ch qusti fossro mononrgtici. Lo spttro di raggi β incidnti su una lastra fotografica in prsnza di un campo magntico costant smbrava discrto. L mission β ra un fnomno quantistico, quindi da associar a uno spttro discrto. A Z A (Z+1) + - la consrvazion dll nrgia implica E( - ) = M( A Z) M( A (Z+1)) D. Bttoni Fnomnologia Intrazioni Forti 14

15 Lo Spttro di raggi β Solo nl 1914 Chadwich dimostrò ch lo spttro ossrvato di raggi β è continuo solo 15 anni più tardi fu stabilito ch lo spttro original di raggi β nuclari è continuo. D. Bttoni Fnomnologia Intrazioni Forti 15

16 Un modllo (sbagliato) dl nuclo Ngli anni 0 si crdva ch il nuclo atomico foss composto di protoni d lttroni: A Z consistva di A protoni d A-Z lttroni (pr smpio 4 H = 4p; 14 N = 14p ). Oltr al problma dlla consrvazion dlla nrgia nlla radiazion β c rano vari altri problmi: Momnto magntico di nucli: µ >> µ p, µ >> µ nuclo. Impossibil s il nuclo è fatto di lttroni protoni. Spin-statistica: scondo qusto modllo 14 N è composto da un numro dispari di frmioni (14p+7 - ), quindi dv avr spin smidispari, mntr sprimntalmnt si trova ch è un boson. Soluzion: gli lttroni lgati ni nucli si comportano divrsamnt dagli lttroni libri!!! (Bohr) Gamow: This would man that th ida of nrgy and its consrvation fails in daling with procsss involving th mission or captur of nuclar lctrons. This dos not sound improbabl if w rmmbr all that has bn said about pculiar proprtis of lctrons in th nuclus. D. Bttoni Fnomnologia Intrazioni Forti 16

17 Pauli il nutron Nl 1930 W. Pauli postulò ch ci foss un trzo costitunt dntro il nuclo, ch chiamò nutron : un frmion privo di carica lttrica, ch intragiva molto dbolmnt con la matria con una massa infrior all 1% dlla massa dl proton: 14 N= 14p ν. In qusto modo: Si risolvva il problma spin-statistica, introducndo il numro corrtto di frmioni. Si risolvva il problma dlla consrvazion dll nrgia nll mission β assumndo ch il procsso corrtto foss: A Z A (Z-1) ν Infatti in qusto modo il dcadimnto è a tr corpi, il ch garantisc ch lo spttro sia continuo ch l nrgia dll lttron sia smpr infrior alla diffrnza di massa tra i du nucli. D. Bttoni Fnomnologia Intrazioni Forti 17

18 Pauli (1930) Dar Radioactiv Ladis and Gntlmn, I hav com upon a dsprat way out rgarding th wrong statistics of th 14 N and 6 Li nucli, as wll as th continuous β spctrum, in ordr to sav th altrnation law of statistics and th nrgy law. Namly, th possibility that thr could xist in th nuclus lctrically nutral particls, which I shall call nutrons, which hav spin ½ and satisfy th xclusion principl and which furthr diffr from light quanta in that thy do not travl with th spd of light. Th mass of th nutrons should b of th sam ordr of magnitud as th lctron mass and in any cas not largr than 0.01 tims th proton mass. Th countinuous β spctrum would thn bcom undrstandabl from th assumption that in β dcay a nutron is mittd along with th lctron, in such a way that th sum of th nrgis of th nutron and th lctron is constant. For th tim bing I dar not publish anything about this ida and addrss myslf to you, dar radioactiv ons, with th qustion how it would b with xprimntal proof of such a nutron, if it wr to hav th pntrating powr qual to about tn tims largr than a γ ray. D. Bttoni Fnomnologia Intrazioni Forti 18

19 I admit that my way out may not sm vry probabl a priori sinc on would probably hav sn th nutrons a long tim ago if thy xist. But only th on who dars wins, and th sriousnss of th situation concrning th continuous β spctrum is illuminatd by my honord prdcssor, Mr Dby, who rcntly said to m in Brussls: Oh, it is bst not to think about this at all, as with nw taxs. On must thrfor discuss sriously vry road to salvation. Thus, dar radioactiv ons, xamin and judg. Unfortunatly I cannot appar prsonally in Tübingn sinc a ball in Zürich maks my prsnc hr indispnsibl. Your most humbl srvant, W. Pauli Da una lttra di W. Pauli ai partcipanti ad un congrsso di Fisica Nuclar a Tübingn, datata 4 dicmbr D. Bttoni Fnomnologia Intrazioni Forti 19

20 La scoprta dl nutron Nl 193 Chadwick scoprì un costitunt nuclar nutro. Studiando l proprità dlla radiazion nutra mssa nl procsso 9 B + α 1 C + n stabilì ch la particlla n, il nutron, ra una particlla molto pntrant lggrmnt più psant dl proton distinta dai raggi γ, cioè una particlla totalmnt divrsa dal nutron postulato da Pauli. Visto ch il nutron di Chadwick ra molto più psant di qullo di Pauli, Frmi ribattzzò qust ultimo nutrino. D. Bttoni Fnomnologia Intrazioni Forti 0

21 La Toria di Frmi dl Dcadimnto β Frmi (1934): n p ν dscritta da un intrazion a quattro frmioni: G ( nγ p)( ν Γ ) h. c. F + N L dov G F è una costant ch carattrizza l intnsità dll intrazion Γ è una combinazion di matrici γ. Qusta nuova intrprtazion dl dcadimnto β corrispondva a un nuovo modllo pr il nuclo atomico, ch risultava costituito di nucloni, cioè protoni nutroni in modo da spigar corrttamnt i momnti magntici di nucli risolvr il problma di spin-statistica. A Z = Zp + (A-Z)n D. Bttoni Fnomnologia Intrazioni Forti 1

22 Nl 1936 vin scoprto il mson µ ch ora chiamiamo muon, chiamato così prchè si pnsava ch foss il mson π. Dal 1947 si sa ch l particll sono du (two mson hypothsis): π + µ + ν µ µ + + ν ν µ Tutt l intrazioni dboli sono carattrizzat dalla stssa costant di Frmi (univrsalità), pr smpio pr il dcadimnto dl muon: G ( Γµ )( ν Γ) h. c. F ν + µ Spttro di nrgia dgli lttroni mssi nl dcadimnto dl muon Ossrvazion dl dcadimnto π + + ν. Violazion dlla parità nll intrazioni dboli. Struttura V-A (γ µ - γ µ γ 5 ) dll intrazioni dboli. D. Bttoni Fnomnologia Intrazioni Forti

23 σ σ L V A V A Lagrangiana Efficac G F V A = νγ µ c G µ ( 1 γ ) γ ( 1 γ ) ν h.. me 3π 41 E 1 GV F ν ν ( ν ν) = GF me E ( ) = ν ν ν ν π 1 GV D. Bttoni Fnomnologia Intrazioni Forti 3

24 ( ) ( ) c h G F A V + = ν γ γ µ γ γ ν µ µ µ L ( ) ( ) 1 = ν µ µ ν ν σ µν σ ν E m m m A V Valida solo fino ad nrgi E ν GV 1 D. Bttoni Fnomnologia Intrazioni Forti = π τ µ µ m G F = GV G µ = GV G τ ( ) τ τ τ ν ν τ π τ F BR m G = Univrsalità