La Fisica del Microcosmo

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2 Fisica 24 ore La Fisica del Microcosmo Dalla Meccanica Quantistica al Modello Standard delle Particelle Elementari

3 Le due grandi rivoluzioni dell inizio 900: Meccanica Quantistica Relatività E = mc 2 Equazione di Dirac (ihγ µ µ m)ψ(x) = 0

4 L equazione di Dirac descrive correttamente le proprietà dell elettrone Ma fa anche altro: Prevede l esistenza di una particella sconosciuta, identica all elettrone, ma con carica elettrica positiva invece di negativa Dirac prevede il positrone N.B. la MATEMATICA suggerisce la FISICA N.M.B. naturalmente, occorre controllare che sia vero!!!

5 La scoperta sperimentale del positrone Nel 1932 Carl Anderson verifica sperimentalmente la previsione di Dirac La curvatura (particella carica in campo magnetico) ci dice che è una particella con carica POSITIVA F = q(v B) Forza di Lorentz

6 Una miriade di nuove particelle Dopo il positrone i fisici cominciano a scoprire tantissime nuove particelle, diverse da quelle che costituiscono normalmente la materia (protone, neutrone ed elettrone): π, K, µ, Λ, ν, ω, ρ,.. etc etc etc Enrico Fermi: Ragazzo, se io potessi ricordare il nome di tutte queste particelle sarei un botanico! Ma allora: cosa significa FONDAMENTALE?? Di cosa siamo veramente fatti?

7 Il problema della risoluzione: più in dettaglio guardate, più dettagli vedete Esperimento: Teoria: UHMMMMMM. uhmmmmm. È qualcun una uomo MIA fotoaltro

8 Ricordate λ = h/p? costante di Planck quantità di moto lunghezza d onda Serve una grande energia per ottenere una piccola lunghezza d onda ( = grande risoluzione) Large Hadron Collider Acceleratore protone-protone in costruzione al CERN. Pronto nel 2007 Energia ~ volte la massa del protone λ ~ m 27 km di circonferenza Costo ~ 2.2 miliardi di euro

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10 LHC nella campagna franco-svizzera attorno al CERN CERN LHC SppS - N.B. Il tunnel è completamente sotterraneo

11 Uno dei 4 apparati sperimentali di LHC

12 e la sua caverna.

13 Un ipotetico evento a LHC

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15 : poche particelle (protone, neutrone, elettrone) Elementari? : esperimenti -> tantissime particelle Grande confusione!! : inizia ad emergere un ordine (quark, leptoni, 4 forze) ????: il Modello Standard

16 I leptoni Neutrino: introdotto da Wolfgang Pauli ed Enrico Fermi per preservare la conservazione dell energia nel decadimento beta del neutrone n p + e + ν e Tre famiglie, ognuna contenente un elettrone e un neutrino Muone: particella identica all elettrone, eccetto che per la massa, 200 volte maggiore I.I. Rabi: Il muone, ma chi l ha chiesto?

17 I quark Murray Gell-Mann Three quarks for Muster Mark J. Joyce, Finnegan s Wake Up e down costituiscono la materia ordinaria (p = uud, n = udd) Gli altri ( Ma chi li ha chiesti? ) compongono tutte le altre particelle osservate

18 Le 4 forze (= interazioni) Intensità Ogni forza è trasportata da una specifica particella Carlo Rubbia e Simon van der Meer Premio Nobel per la Fisica 1984 per la scoperta al CERN di Ginevra dei bosoni vettori W e Z, portatori della forza debole

19 Il Modello Standard riassunto delle attuali conoscenze circa la fisica delle interazioni fondamentali: individua le particelle fondamentali individua le forze fondamentali (e.m., debole, forte) detta le regole attraverso cui le particelle interagiscono tramite le forze (esempio: conservazione della carica elettrica) permette di effettuare previsioni teoriche confrontabili con gli esperimenti

20 Il Modello Standard QED Premio Nobel per la Fisica 1965 ( ) Richard P. Feynman Julian Schwinger Sin-Itiro Tomonaga Interazioni elettrodeboli Premio Nobel per la Fisica 1979 ( ) Sheldon Lee Glashow Abdus Salam Steven Weinberg E le interazioni forti (QCD)?? Niente Nobel per ora!

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22 Dimensioni Se l atomo fosse un campo da calcio (100 m), il nucleo sarebbe una biglia (1 cm) Lo spazio è quasi totalmente vuoto! Sono le forze che creano la solidità degli oggetti

23 Distanze Perché la gravità e l elettromagnetismo ci sono familiari, mentre non sapevamo nulla della forza debole e di quella forte? Perché hanno raggio d azione INFINITO, mentre le forze debole e forte sono confinate a BREVI DISTANZE

24 Un esempio di interazione tra particelle elementari e + e D + D Elettrone e positrone si scontrano. La forza elettrodebole produce un charm e un anticharm Il charm e l anticharm si allontanano. La forza forte fa nascere un down e un antidown, e li lega a charm e anticharm per formare le particelle osservabili D

25 La forza forte è speciale: CRESCE allontanando le particelle Nel campo di forze che si crea nascono nuovi quark, che si legano ad altri e formano le particelle osservate Non possiamo mai osservare i quark singolarmente.

26 ma allora sappiamo già tutto?

27 Il bosone di Higgs Il Modello Standard prevede una particella tuttora sconosciuta, il bosone di Higgs L Higgs è necessario affinché i quark, i leptoni, le particelle che trasportano le forze abbiano una MASSA O almeno così dice il Modello Standard È per verificarlo sperimentalmente che si costruisce l LHC

28 Ricordate: LHC non sarà pronto prima del 2007 ci vorranno alcuni altri anni per raccogliere dati non è detto che ci sia solo il bosone di Higgs da scoprire Se vi interessa, siete in tempo!!