L Unificazione delle Forze: E Possibile? Gianfranco PRADISI Dipartimento di Fisica

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1 L Unificazione delle Forze: E Possibile? Gianfranco PRADISI Dipartimento di Fisica

2 I PILASTRI MECCANICA QUANTISTICA + Teoria Quantistica dei Campi Modello Standard Interazioni Elettrodeboli (Elettromagnetiche + Deboli) Interazioni Forti TEORIA DELLA RELATIVITA Relativita Ristretta Relativita Generale SONO COMPATIBILI? Brian Greene, L Universo Elegante, Ed. Einaudi Struttura su Larga Scala dell Universo Interazioni Gravitazionali Modello Cosmologico Standard

3 La Fisica: un atto di umilta Il metodo sperimentale (GALILEO GALILEI): Collezionare dati da esperimenti in cui le quantita fisiche siano controllate e formulare modelli che ne diano conto. Un modello predice nuovi fenomeni e va bene finche non viene contraddetto. Nel qual caso va eliminato o modificato opportunamente (se si riesce: per questo siete qui ) Il Grande Libro della Natura e scritto in lingua matematica, e i caratteri sono triangoli, cerchi, ed altre figure geometriche, senza i quali mezzi e impossibile a intenderne umanamente parola; senza questi e un aggirarsi vanamente per un oscuro laberinto

4 o l esplorazione della mente di Dio? (Stephen Hawking) La Natura e veramente matematizzabile? Ambizione: tutta la fisica puo essere spiegata (in linea di principio) utilizzando pochi oggetti fondamentali ( elementari ) e poche leggi fondamentali: al limite una sola!!! La ricerca di una Teoria del Tutto e la meta. Ma bisogna essere MOLTO CAUTI Ci sono indicazioni (speculazioni teoriche) che inducono a pensare che ad energie e densita molto elevate (quindi ad esempio in situazioni proprie dell Universo Primordiale) possa esistere un unica forma di materia ed un unica forza fondamentale. Sfida o Illusione?

5 Posizione Posizione La Fisica Prima Del 1905 I fenomeni fisici sono semplici se osservati dal corretto punto di vista (sistema di riferimento inerziale). Le particelle sono descritte dalla loro posizione che varia nel tempo. Tempo Le particelle cambiano velocità in presenza di forze, a seconda della loro massa. F ma Tempo

6 Posizione Posizione Forza Gravitazionale Spiega, in maniera unitaria, il moto dei corpi celesti e la caduta dei corpi sulla terra (Newton). m I a = m g g Azione a distanza istantanea. Tempo Forza Elettromagnetica Azione a distanza trasmessa da onde del campo elettromagnetico, che si propagano alla velocità della luce. (Maxwell) Tempo

7 La Rivoluzione di Einstein È possibile raggiungere la luce, e rompere la barriera della luce? La luce si sposta a velocità diverse a seconda del punto di vista? No! Non è possibile. La luce si sposta sempre alla velocità c = Km/s. Spazio = Tempo Contrazione degli oggetti in moto Rallentamento degli orologi in moto (simultaneità è un concetto relativo)

8 E = m c 2 In meccanica classica E 1 mv 2 2 Poichè la velocità della luce non è superabile, quando v ~ c l energia diventa infinita. In generale E costante Einstein: il termine costante non c è. Quando v~0 l energia di una particella è 1 mc v 2 2 / c 2 E ~ mc mv Spazio = Tempo Massa = Energia

9 Il Campo Gravitazionale La gravità Newtoniana agisce istantaneamente. Incompatibile con le innovazioni di Einstein. È naturale quindi che anche la gravità sia trasmessa da un campo, che si propaga alla velocità della luce. Il campo descrive il distorcersi della geometria dello spazio-tempo, provocato dalla massa delle particelle. Le particelle seguono traiettorie rettilinee nello spazio distorto, che pertanto sembrano curvilinee a causa della forza gravitazionale.

10 La Rivoluzione Quantistica L atomo di idrogeno dovrebbe emettere radiazione (onde) ed essere instabile. - A piccole distanze, anche le particelle si comportano come campi ondulatori. + Costante di Planck L L h p Spazio 1 Massa Se localizziamo l elettrone (L 0), allora p. L elettrone ci sfugge. Orbitali atomici: equilibrio fra attrazione elettromagnetica e repulsione quantistica.

11 I Fotoni e i Gravitoni Così come le particelle si comportano come onde, anche le onde elettromagnetiche (e gravitazionali) sono costituite da particelle: i fotoni (ed i gravitoni). Particelle senza massa che si spostano alla velocità della luce. Come ogni particella, hanno una energia E h f proporzionale alla frequenza f dell onda. I campi classici sono formati da tantissime particelle che si muovono assieme, in maniera coerente. Come vediamo gli oggetti? Grazie all interazione fra particelle. e-

12 Posizione Posizione I Campi Quantistici e l Antimateria Meccanica quantistica Particella compie tutti i cammini. B 3 A Tempo M.Q. + Relatività Ristretta Antimateria + Creazione & Distruzione delle Particelle. 1. Elettrone e - + Fotone 2. 2 Elettroni e Positrone e + 3. Elettrone e - + Fotone Tempo 1 2 3

13 Le Particelle Elementari Le particelle che trasmettono le forze. (Masse in MeV) Tre generazioni di leptoni. (+ le antiparticelle) Tre generazioni di quark. (+ le antiparticelle) che formano gli adroni (barioni e mesoni) Particella Forza Fotone Elettromagnetica Gluone g Forte Z, W 91190, Debole Gravitone h Gravitazionale Elettrone e - Neutrino e Muone - Neutrino Tau - Neutrino -1 Up u Charm c Top t Down d Strange s Bottom b 2/3-1/3 Higgs Higgs H 0

14 Le Forze Nucleari I neutroni e protoni sono formati da quark, e formano a loro volta i nuclei atomici. Il collante è la forza forte, mediata dai gluoni. Neutrone n udd Protone p uud Gli adroni e i leptoni possono interagire fra loro via le forze elettromagnetica e debole. Protone u d Neutrone u g u d d W e Esempio: il decadimento beta n p + e - + e e -

15 La Scala delle Distanze Per vedere cose piccole, ci serve una lunghezza d onda piccola, e quindi alte energie! Ovvero alte temperature! 1 MeV cm K LHC CERN 2008 d u u cm 10-9 cm cm 10 3 MeV K cm 10 6 MeV K

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18 Osservare Indietro nel Tempo: la CMB Immagini di 13 Miliardi di Anni Fa COBE (COsmic Background Explorer ) 1992 WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) 2003

19 Il Mistero della Gravitá Quantistica A grandi distanze la gravità classica è la forza dominante. Nel mondo atomico e subatomico è irrilevante fino a energie altissime. È paragonablie alle forze microscopiche quando 2 GE Gm m r 1 2 q1q2 ~ 2 r 2 1 cioè quando l energia e la distanza sono E ~ ~ 10 MeV L ~ G ~ 10 cm G A queste distanze, la natura quantistica del gravitone è importante. Ma la gravità e la meccanica quantistica sembrano essere incompatibili!!! =

20 L Unità delle Forze e Le Superstringhe Una stringa tesa fra due punti vibra, ed emette un suono che è una combinazione di note fondamentali, le armoniche. Normalmente pensiamo ad una particella elementare come puntiforme. La teoria delle stringhe propone che, a piccolissime distanze (10-33 cm) la materia sia formata da oggetti unidimensionali, le stringhe. Particelle Fondamentali (incluso il gravitone) Armoniche della Stringa (differenti oscillazioni della stessa stringa)

21 Le Interazioni fra Stringhe Le interazioni fra particelle sono descritte in maniera unitaria. Le interazioni sono consistenti (incluso il gravitone) se Lo spazio-tempo ha 11 dimensioni La teoria attuale delle interazioni predice anche la Supersimmetria # di bosoni = # di fermioni

22 Lo Spazio a Molte Dimensioni Lo spazio-tempo che conosciamo ha D = 4 dimensioni. Come è possibile allora che D = 11? Guardiamo un cilindro prima da vicino, poi sempre piú da lontano. 2D 1D Lo spazio-tempo ha 7 dimensioni molto piccole, invisibili a grande distanza. Perché 7??! Forse Visibile a LHC Che forma hanno?

23 La Supersimmetria Le particelle ruotano su se stesse. Hanno spin semi-intero. Si dividono in H g, W, Z h Bosoni Fermioni 1/2 3/2 u,d,e, La supersimmetria predice che le particelle vengano in coppia fermione-bosone. Predetta l esistenza della copia supersimmetrica delle particelle esistenti.? Forse Visibile a LHC!

24 Large Hadron Collider ( LHC) CERN 2008 Collisore PROTONE-PROTONE Il sistema criogenico piú grande del mondo (1.8 K). 27 Km di magneti a 8 T. 100 m sotto terra. 7 milioni di MeV. 800 milioni di collisioni/sec.

25 LA TEORIA M (magica,madre,mistero,membrana,matrice ) Il Campo Gravitazionale

26 Benvenuti a Tor Vergata