Le particelle elementari
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- Gemma Capelli
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1 Le particelle elementari Masterclass Europea Fisica delle Particelle Elementari Students Day Torino, 12 marzo /03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 1
2 Oggi, la fisica è (alla base di tutta) la scienza della natura Con un consapevole eccesso di orgoglio, Rutherford disse una volta: La scienza e fisica, oppure e collezionare francobolli 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 2
3 Perchè? 1. In chimica, biologia, astronomia, cosmologia, geologia, le leggi naturali trovano interpretazione e spiegazione nelle leggi della fisica 2. Le leggi fisiche si auto-fondano sull esperimento, non sono basate su ipotesi metafisiche o extrascientifiche 3. Le leggi della fisica sono espresse in linguaggio matematico, internamente coerente e falsificabile 4. Non si osservano fenomeni in contrasto con le leggi note della fisica 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 3
4 Fisica e realta Per quel che possiamo dire, le leggi della fisica sono universali Da dove ha origine l universalita universalita? Domanda difficile.. Ipotesi che aiuta a rispondere: L universo e costruito, in ogni sua parte, con gli stessi costituenti elementari, che interagiscono attraverso le medesime forze 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 4
5 Cosa c e la fuori? All inizio la fisica e essenzialmemte cosmologia Come e strutturato il cosmo? Come ha avuto origine? Mix indistinto di filosofia, scienza, religione, La fisica ragiona sulla natura dei corpi e dei moti terrestri (imperfetti) e celesti (perfetti), quindi: Prima di tutto, astronomia 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 5
6 La fisica di Newton Proprieta del sistema solare (orbite di pianeti, satelliti comete, ) ben comprese in termini delle masse dei costituenti e della legge di gravitazione universale Potere post-dittivo dittivo: : ottima consistenza fra misure e calcoli (Es. estrema accuratezza nella previsione delle eclissi, fino allora ottenuta per via esclusivamente empirica) Potere pre-dittivo dittivo: : previsione di fenomeni nuovi (Es. scoperta di Nettuno, avvenuta sulla base delle anomalie osservate nell orbita di Urano) 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 6
7 Un interazione fondamentale Idea estremamente unificante: All origine di tutti i fenomeni di tipo gravitazionale c e un unica forza, quella newtoniana Quindi, misurare p.es. l accelerazione di gravita consente, insieme ad altre informazioni di tipo geometrico, di misurare la massa del Sole, della Luna, di predire la posizione e la velocita delle comete, etc 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 7
8 La gravitazione oggi Interazione fondamentale ben conosciuta a livello macroscopico, anche nella versione di Einstein: in ottimo accordo con molte verifiche sperimentali Fino ad oggi, tuttavia, impossibile costruirne una versione microscopica che incorpori i principi della meccanica quantistica Poco rilevante per le particelle elementari? 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 8
9 L universo: materia ed energia La composizione dell universo e uno dei misteri piu profondi: i conti non tornano Lo studio della gravitazione a livello cosmologico indica: 5% materia barionica (quella ordinaria) 30% materia oscura (che cos e? Mah ) 65% energia oscura (che cos e? Mah al cubo ) La gravitazione ha ancora molti lati poco conosciuti 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 9
10 Cosa c è là dentro? La curiosita di sapere come e fatto l universo si accompagna da sempre a quella di sapere come sono fatti gli oggetti Oggi sappiamo che le due curiosita sono in realta una sola: le leggi fisiche che determinano la struttura della materia determinano anche quella dell universo 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 10
11 La struttura della materia Origini nella chimica: Dalton, Avogadro Elementi, composti e leggi empiriche Esempio: Legge delle proporzioni multiple e definite (Dalton) Se due elementi formano piu di un composto, i rapporti fra le quantita dell uno che si combinano con una quantita fissa dell altro sono numeri interi 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 11
12 Molecole La legge di Dalton conduce all idea di molecola Avogadro,, 1811: La parte piu piccola di ogni sostanza Molecole come costituenti della materia 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 12
13 Atomi Ci sono moltissime sostanze diverse Ipotesi: Le molecole sono fatte di atomi Da > specie molecolari a <100 specie atomiche! Straordinario passo avanti nella comprensione delle proprieta della materia 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 13
14 Il sistema periodico: Mendeleev Sistematicita nelle proprieta chimiche degli elementi Somiglianze e regolarita nelle proprieta fisiche degli atomi 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 14
15 La struttura degli atomi Che cosa rende l atomo di un elemento chimicamente diverso o simile a quello di un altro elemento? Perche gli atomi si dispongono secondo una gerarchia di massa? Possibile spiegazione: malgrado il loro nome Gli atomi sono sistemi composti 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 15
16 I costituenti atomici Ricerca di evidenze fisiche che comprovino gli indizi di origine chimica sulla struttura composta degli atomi Elettrone: Thompson Nucleo: Rutherford 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 16
17 La struttura atomica Si individuano due tipi di costituenti atomici: Nuclei ed elettroni Possibile costruire un modello dell atomo basato su questi costituenti Colla che li tiene uniti: campo elettromagnetico Gia noto dallo studio sperimentale dei fenomeni elettrici e magnetici a livello macroscopico 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 17
18 Un altra interazione fondamentale La seconda interazione fondamentale: Le forze elettromagnetiche hanno gli stessi effetti per tutte le cariche elettriche Poche, semplici leggi spiegano il funzionamento delle batterie, la propagazione della luce, il magnetismo, Piu complicate ( o piu semplici? ) di quella gravitazionale 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 18
19 La storia si ripete Un altro sistema periodico Fino a 100 Fino a /03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 19
20 I costituenti nucleari Circa 3000 nuclei diversi conosciuti. Situazione simile a quella incontrata a proposito delle specie atomiche: similarita, regolarita, ricorrenze Ricerca dei costituenti nucleari Identificazione di protone e neutrone: Rutherford, Chadwick Particella pesante, con carica +va Particella pesante, priva di carica 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 20
21 Radioattivita Becquerel, Rutherford,, i Curie, Scoperta dell emissione di radiazione da parte di certi elementi In seguito, messa in relazione con la instabilita nucleare: : tendenza osservata di diverse specie nucleari a disintegrarsi spontaneamente in frammenti piu leggeri, con varie modalita 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 21
22 Cosa rende stabile il nucleo? Problema: i costituenti nucleari sono a carica positiva o nulla Come fa il nucleo a restare unito, visto che cariche di ugual segno si respingono? I costituenti sono legati dalla forza nucleare A distanze dell ordine delle dimensioni dei costituenti nucleari essa prevale sulla repulsione elettrica fra i protoni 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 22
23 Cosa rende instabile il nucleo? Perche alcune specie nucleari sono instabili e si disintegrano spontaneamente? Diverse modalita di disintegrazione: la piu interessante, nota come decadimento beta, ha strane caratteristiche Governata dall interazione debole, molto meno intensa dell interazione elettromagnetica Anch essa non si manifesta fra corpi macroscopici: raggio d azione piccolissimo, < cm! 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 23
24 Due nuove interazioni Interazione forte: Nuova interazione, piu intensa di quella elettromagnetica, non si manifesta fra oggetti macroscopici perche ha un raggio d azione estremamente piccolo: cm! Ruolo centrale nella formazione dei nuclei atomici Interazione debole: Un altra interazione fondamentale, bizzarra e capricciosa! Incline a violare molte delle regole piu sacre e rispettate dalle altre interazioni.. Per quanto debole, ha p.es. un ruolo centrale nell innesco dell accensione delle stelle 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 24
25 Le interazioni fondamentali L indagine sulla struttura della materia conduce dunque a studiare le proprieta dei costituenti e delle quattro interazioni fondamentali Come si fa? Come sempre in fisica: Teoria: costruzione di modelli Esperimento: uso di sonde di vario tipo 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 25
26 Principi fondamentali Modelli e sonde funzionano in accordo con i sacri principi canonici Perche? Teoria della relativita Meccanica quantistica Non abbiamo evidenze contrarie a questi principi, mentre ne abbiamo moltissime in favore Fino a prova contraria 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 26
27 Effetti relativistici Molti, stupefacenti, controintuitivi: Nuovo modo di considerare materia ed energia Due conseguenze importanti: Equivalenza fra massa ed energia Possibilita di trasformare l una nell altra Possibilita di processi in cui le particelle si creano e distruggono Esistenza delle antiparticelle Ogni particella (elettrone, protone,..) ha una gemella di uguale massa e carica opposta 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 27
28 Il positrone Foto in camera a nebbia Fra gli altri processi: 2 esempi di produzione di coppie Materializzazione di raggi γ (radiazione elettromagnetica di alta energia) in una coppia elettrone-positrone Energia Massa 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 28
29 Conversione massa energia 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 29
30 Effetti quantistici Molti, stupefacenti, controintuitivi: Nuovo modo di considerare materia e campo Due conseguenze importanti: Quantizzazione dell energia Esistenza di livelli energetici discreti Caratteristiche ondulatorie nel comportamento delle particelle Il moto delle particelle assomiglia a quello di un onda 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 30
31 I livelli atomici Gli atomi eccitati (p.es. in un gas caldo) emettono luce di colori caratteristici, diversi per ogni atomo Idrogeno (atomo semplice) Ferro (atomo complicato) Legame stretto fra livelli energetici dell atomo e colore delle righe spettrali 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 31
32 La diffrazione degli elettroni Fascio di elettroni su cristallo Intensita degli elettroni diffratti Figura di diffrazione, simile a quelle che si ottengono quando la luce passa attraverso fenditure sottili Le particelle hanno una lunghezza d onda λ = h/mv Velocita grandi = Lunghezze d onda piccole 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 32
33 Onde e dettagli geometrici Se la separazione fosse inferiore, gli effetti ottici non permetterebbero di separare le due stelle: Quando si ha a che fare con fenomeni ondulatori, il dettaglio minimo che si puo osservare ha dimensione λ Il disco di Airy non e la dimensione della stella, ma un effetto ottico Disco di Airy; angolo λ/d Separazione 0.8 La stella binaria ζ di Boote osservata in luce visibile - λ 530 nm Nordic Telescope - d = 2.56 m 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 33
34 Il microscopio Per osservare la struttura di oggetti piccoli (cellule, ) Sistemi ottici per convogliare e raccogliare la luce Sorgente di radiazione (lampada) Bersaglio (campione) Rivelatore di radiazione (occhio) Qual e il dettaglio minimo osservabile? Dipende dalla lunghezza d onda (colore) della luce usata: d min λ 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 34
35 Il microscopio elettronico Per osservare dettagli piu piccoli (virus, ): λ piccola! Conviene usare elettroni ad energia elevata: Piu facile guidarli e focheggiarli con campi elettromagnetici Sorgente di radiazione (elettroni) Bersaglio (campione) Rivelatore (misura della corrente di elettroni diffusi dal bersaglio) Anche gli elettroni hanno una λ! Accelerandoli ad energie elevate (p.es. con volt) la loro λ e volte piu piccola di quella della luce visibile! Sistemi ottici per convogliare gli elettroni 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 35
36 Metodo sperimentale Per creare particelle dotate di grande massa: Conversione di energia in massa Per studiare la struttura di oggetti piccoli: Quindi: Sonde a piccola lunghezza d onda Necessita di proiettili ad energia elevata 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 36
37 Massa ed energia Particelle di massa elevata possono essere create trasformando energia cinetica in massa. Per formare una massa grande, servono proiettili con grande energia cinetica: 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 37
38 Proiettili e sonde Proiettili di energia elevata hanno velocita elevata Quindi, secondo la meccanica quantistica, hanno lunghezza d onda piccola Quindi sono in grado di mettere in evidenza dettagli della struttura dei bersagli 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 38
39 Acceleratori Un acceleratore e in pratica un Super Microscopio Elettronico Condizioni preferite: collisioni testa a testa fra coppie di particelle in movimento (piu energia che puo trasformarsi in massa) 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 39
40 CERN, SLAC e compagnia Gli eredi del microscopio elettronico sono macchine enormi e complesse SLAC Stanford, California CERN, Ginevra, Svizzera Acc. Lineare 3 km Acc. circolari SPS (7 km), LEP/LHC (27 km) 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 40
41 Rivelatori di particelle I sostituti dell occhio umano,, per radiazioni di energia cosi alta, sono anche loro sistemi grandi e complessi ALEPH/CERN Elettronica, ottica, meccanica di precisione Migliaia di computer CDF/FNAL 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 41
42 Fisica ed alta tecnologia Da acceleratori e rivelatori: straordinari sviluppi tecnologici Ricadute in molti campi di applicazione (magneti, elettronica, fisica medica, software, WWW, ) Comunita mondiale impegnata nella ricerca Gigantismo di acceleratori e rivelatori (e costi) Collaborazioni di centinaia (oggi, migliaia) di ricercatori Enorme quantita di dati raccolti Interpretazione: analisi dati, computers, reti, Lezione del prof. E. Chiavassa a seguire 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 42
43 Fisica dal Cielo Molte delle prime scoperte in fisica delle particelle sono venute dallo studio della radiazione cosmica Prime scoperte Muone, un fratello pesante dell elettrone Pione, un parente di neutrone e protone Particelle strane, tipi un po originali nella famiglia del protone e neutrone 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 43
44 e in Terra Tutte queste particelle presto prodotte e studiate, con grande successo, ai primi acceleratori Si osservano moltissime particelle parenti di protone e neutrone, di solito estremamente instabili ma perfettamente rivelabili Come un puzzle, complicato e affascinante 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 44
45 Lo zoo delle particelle Moltissimi parenti di protone e neutron: Particelle che interagiscono fortemente Chiamate collettivamente: adroni Centinaia di specie adroniche osservate in collisioni ad alta energia: situazione simile a quella incontrata per atomi e nuclei Indizi di una sottostruttura Q = - 1 Q = 0 Q = + 1 S = + 1 K 0 K + S = 0 π + π 0, η π + S = - 1 K + K 0 Q = - 1 Q = 0 Q = + 1 Q = + 2 S = S = - 1 Σ Σ 0 Σ + S = - 2 Ξ Ξ 0 S = - 3 Ω Q= -1 Q= 0 Q=+1 S= 0 n p S= -1 Σ Σ 0,Λ Σ + S= -2 Ξ + Ξ 0 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 45
46 L interazione elettromagnetica Nella visione moderna, le cariche elettriche si sentono emettendo e assorbendo continuamente fotoni: quanti di luce Fotone Fotone Molti processi: collisione, annichilazione, materializzazione,.. 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 46
47 Come funziona? Versione quantistica delle vecchie idee classiche Se scuotete una particella carica, essa emettera onde elettromagnetiche = quanti di luce Le onde elettromagnetiche = quanti di luce scuotono le particelle cariche che incontrano E cosi via I fotoni si possono usare come sonde per studiare la struttura degli adroni 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 47
48 Anche il protone e un atomo Domanda: il protone e gli altri adroni sono elementari o composti? Metodo: collisioni ad alta energia fra elettroni e protoni quark elettrone fotone protone Si osservano spesso elettroni diffusi a grandi angoli Indicazione chiara di costituenti puntiformi 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 48
49 Quark Che cosa sono questi costituenti? I quark Un enorme lavoro, sperimentale e teorico, porta a concludere che: Sono puntiformi Interagiscono fortemente Non si osservano liberi Si osservano sotto forma di stati legati, gli adroni appunto Barioni: 3 quark Mesoni: quark-antiquark p π + 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 49
50 Quark: i costituenti degli adroni Scala delle energie: rapporto circa 1 miliardo! Atomo di idrogeno Charmonio Livelli energetici del sistema elettrone + protone Livelli energetici del sistema quark c + antiquark c Struttura, meccanismo simili : costituenti elementari legati 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 50
51 I leptoni, parenti dell elettrone Nel tempo, scoperta di 2 parenti dell elettrone, pesanti, carichi Elettrone e Muone µ Tauone τ nonche di 3 neutrini, quasi privi di massa, scarichi Neutrino elettronico ν e Neutrino muonico ν µ Neutrino tauonico ν τ Sono puntiformi Sentono solo le interazioni elettromagnetica e debole Si osservano liberi 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 51
52 Il Modello Standard Negli ultimi 30 anni, crescenti prove a favore del Modello Standard dei costituenti della materia e delle loro interazioni Interazione elettrodebole unificata + Cromodinamica quantistica 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 52
53 I costituenti 6 leptoni Particelle prive di struttura 6 quark Ogni quark ha anche una carica di colore 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 53
54 Le interazioni Interazioni elettromagnetica e debole: unificate ad alta energia nell interazione elettrodebole, sentita da quark e leptoni Avviene tramite lo scambio di 4 particelle mediatrici (fotone, W ±,Z 0 ) W ±,Z 0 :parenti pesanti del fotone Interazione di colore: sentita dai soli quark Avviene con lo scambio di 8 particelle mediatrici (gluoni) Quark e gluoni apparentemente sempre confinati dentro gli adroni 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 54
55 La danza perpetua Emissione e assorbimento di particelle mediatrici da parte di leptoni e quark Quali sono le regole che governano questi processi elementari? Come e cominciato,, e come finira tutto questo? Risposta: esperimento e teoria 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 55
56 Le domande difficili Le particelle mediatrici,, come il fotone e i bosoni intermedi W ±,Z 0 appartengono alla stessa famiglia. Perche il fotone e privo di massa, mentre W ±,Z 0 sono cosi pesanti? Qual e, in generale, l origine della massa? Esiste la particella di Higgs? E vero che quark e gluoni sono sempre confinati? C e qualcosa di nuovo, oltre il Modello Standard? 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 56
57 LHC e il futuro Quest anno il CERN completera la costruzione del piu grande acceleratore mai realizzato, il Large Hadron Collider 4 grandi esperimenti stanno completando la costruzione di altrettanti enormi rivelatori (a due di essi, ALICE e CMS, partecipano decine di fisici torinesi) C e molta attesa per i risultati di questi esperimenti, che potrebbero confermare o rimettere in discussione alcune fra le ipotesi piu importanti del Modello Standard 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 57
58 Toccare con mano le particelle.. Nell esercitazione guidata dal dott. E.Migliore: Misure sui decadimenti della Z 0 y e + x e - 12/03/2008 E.Menichetti - Univ. di Torino 58
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