Introduzione alle particelle elementari

Transcript

1 Introduzione alle particelle elementari Christian Ferrari Liceo di Locarno

2 Sommario 1 Introduzione Quadro generale e dimensioni del mondo microscopico Atomi, nuclei e nuove particelle Le particelle elementari Costruire particelle Aspetti sperimentali La forza elettromagnetica La forza nucleare forte La forza nucleare debole L unificazione delle forze Quale ruolo per la forza gravitazionale? Percorso storico Intro ANP Part. el. Exp Forze Unif Gr Concl Storia Idee di base Dimensioni

14 Introduzione 2 La fisica delle particelle elementari si pone la domanda: Di cosa è fatta la materia ad una scala piccolissima? Intro ANP Part. el. Exp Forze Unif Gr Concl Storia Idee di base Dimensioni

15 Introduzione 2 La fisica delle particelle elementari si pone la domanda: Di cosa è fatta la materia ad una scala piccolissima? A livello subatomico la materia è composta da un piccolo numero di particelle di base classificabili in diverse classi, queste ultime sono replicate in grandissime quantità per costituire tutto quanto ci circonda. Intro ANP Part. el. Exp Forze Unif Gr Concl Storia Idee di base Dimensioni

16 Introduzione 2 La fisica delle particelle elementari si pone la domanda: Di cosa è fatta la materia ad una scala piccolissima? A livello subatomico la materia è composta da un piccolo numero di particelle di base classificabili in diverse classi, queste ultime sono replicate in grandissime quantità per costituire tutto quanto ci circonda. Sorge quindi un altra domanda: Come interagiscono tra loro le particelle? Intro ANP Part. el. Exp Forze Unif Gr Concl Storia Idee di base Dimensioni

17 Introduzione 2 La fisica delle particelle elementari si pone la domanda: Di cosa è fatta la materia ad una scala piccolissima? A livello subatomico la materia è composta da un piccolo numero di particelle di base classificabili in diverse classi, queste ultime sono replicate in grandissime quantità per costituire tutto quanto ci circonda. Sorge quindi un altra domanda: Come interagiscono tra loro le particelle? Cercheremo di rispondere qualitativamente a queste domande. Intro ANP Part. el. Exp Forze Unif Gr Concl Storia Idee di base Dimensioni

18 Quadro generale 3 La descrizione del mondo atomico e subatomico si basa su: un certo numero di particelle dette elementari, la possibilità di costruire delle particelle partendo da quelle elementari, delle forze fondamentali tra queste particelle, l idea che la forza è mediata da un certo numero di particelle, chiamate particelle mediatrici. Intro ANP Part. el. Exp Forze Unif Gr Concl Storia Idee di base Dimensioni

23 Dimensioni del mondo microscopico 4 Cosa si intende per mondo microscopico? Quali sono le scale tipiche di questo mondo? Distanza tra atomi in un cristallo di alluminio: [m] Taglia di un atomo: [m] Intro ANP Part. el. Exp Forze Unif Gr Concl Storia Idee di base Dimensioni

26 Dimensioni del mondo microscopico 5 Taglia di un nucleo: [m] Taglia di un nucleone (= protone/neutrone): [m] = Taglia di un elettrone: inferiore a [m] (considerato puntiforme) Intro ANP Part. el. Exp Forze Unif Gr Concl Storia Idee di base Dimensioni

30 Atomi 6 Atomo { Nucleo : carica +, Elettroni : carica elettrone nucleo La massa dell atomo è concentrata sul nucleo. La forza tra il nucleo e gli elettroni ossia l interazione è elettromagnetica, la cui origine è la carica elettrica del nucleo e degli elettroni. Intro ANP Part. el. Exp Forze Unif Gr Concl Storia Atomi Nuclei Nuove particelle

31 Atomi 6 Atomo { Nucleo : carica +, Elettroni : carica elettrone nucleo La massa dell atomo è concentrata sul nucleo. La forza tra il nucleo e gli elettroni ossia l interazione è elettromagnetica, la cui origine è la carica elettrica del nucleo e degli elettroni. Intro ANP Part. el. Exp Forze Unif Gr Concl Storia Atomi Nuclei Nuove particelle

32 Nuclei 7 Nucleo { Protoni : carica +, Neutroni : carica 0 nucleo neutrone protone La forza tra protoni e neutroni è chiamata forza nucleare forte, ha una portata molto piccola ma è molto intensa, così da dominare la repulsione elettrica tra i protoni. Intro ANP Part. el. Exp Forze Unif Gr Concl Storia Atomi Nuclei Nuove particelle

33 Nuclei 7 Nucleo { Protoni : carica +, Neutroni : carica 0 nucleo neutrone protone La forza tra protoni e neutroni è chiamata forza nucleare forte, ha una portata molto piccola ma è molto intensa, così da dominare la repulsione elettrica tra i protoni. Intro ANP Part. el. Exp Forze Unif Gr Concl Storia Atomi Nuclei Nuove particelle

34 Altre particelle 8 Agli inizi del 1900 è postulata l esistenza di una particella di luce : il fotone, la sua conferma sperimentale arriva tra il 1916 e A partire dagli anni 30 è stata ipotizzata l esistenza di altre particelle oltre agli elettroni, i protoni e i neutroni e vi è stata poi la loro scoperta sperimentale; parallelamente sono pure state scoperte altre particelle inattese. Ecco alcuni esempi: Neutrini: particelle postulate per spiegare un apparente violazione della conservazione dell energia in alcuni processi di disintegrazione nucleare. Pioni: particelle introdotta sul piano teorico da Yukawa nel quadro della forza nucleare forte. Muone µ: particella simile all elettrone, scoperta nel 1936 e inizialmente confusa con il pione di Yukawa. Intro ANP Part. el. Exp Forze Unif Gr Concl Storia Atomi Nuclei Nuove particelle

39 Particelle elementari: proprietà fondamentali 9 Quark e leptoni sono le due famiglie di particelle elementari che formano i mattoni di base per la costruzione di tutte le altre particelle, queste particelle hanno delle proprietà fondamentali: la massa M (in [MeV ]/c 2 ), la carica elettrica Q e (in [C]), lo spin che in un imagine classica indica il senso di rotazione su se stessa della particella z spin su spin giù Abbiamo due possibilità che vengono chiamate spin su (o spin S z = ), spin giù (o spin S z = 1 2 ). In tutti i casi si dice che si ha uno spin S = 1 2 e la particella ha le due possibilità su e giù. Intro ANP Part. el. Exp Forze Unif Gr Concl Storia Prop Antimateria Quark e leptoni Barioni e mesoni Colore

44 Particelle elementari: proprietà fondamentali 10 Vi sono poi altre proprietà intrinseche più esotiche quali ad esempio: il numero leptonico L (per i leptoni), il numero barionico B (per i quark), il colore (per i quark). Intro ANP Part. el. Exp Forze Unif Gr Concl Storia Prop Antimateria Quark e leptoni Barioni e mesoni Colore

48 Antimateria 11 Nel Modello Standard, la teoria delle particelle elementari più accettata ai giorni nostri, per ogni particella p esiste una particella di antimateria (=antiparticella) notata sovente p o con il segno della carica elettrica opposto. Le caratteristiche dell antimateria sono molto simili a quelle della materia, in altre parole l antimateria non ha nulla di particolarmente strano. Ecco un esempio: particella: elettrone e M = 0.51 Q e = 1 S = 1 2 L = +1 antiparticella: positrone e + M = 0.51 Q e = +1 S = 1 2 L = 1 Intro ANP Part. el. Exp Forze Unif Gr Concl Storia Prop Antimateria Quark e leptoni Barioni e mesoni Colore

51 Quark 12 I quark sono classificati come segue per un totale di 6 quark. quark simbolo Q e S B down d 1 3 up u strange s 1 3 charm c bottom b 1 3 top t Intro ANP Part. el. Exp Forze Unif Gr Concl Storia Prop Antimateria Quark e leptoni Barioni e mesoni Colore

52 Anti quark 13 Ad ogni quark è associato un anti quark, anti quark simbolo Q e S B anti down d anti up ū 2 3 anti strange s anti charm c 2 3 anti bottom b anti top t 2 3 per un totale di 6 anti quark Intro ANP Part. el. Exp Forze Unif Gr Concl Storia Prop Antimateria Quark e leptoni Barioni e mesoni Colore

53 Leptoni 14 I leptoni sono classificati come segue leptone simbolo Q e S L elettrone e neutrino elettronico ν e muone µ neutrino muonico ν µ tau τ neutrino tauonico ν τ per un totale di 6 leptoni. Intro ANP Part. el. Exp Forze Unif Gr Concl Storia Prop Antimateria Quark e leptoni Barioni e mesoni Colore

54 Anti leptoni 15 Ad ogni leptone è associato un anti leptone, leptone simbolo Q e S L positrone e anti neutrino elettronico ν e anti muone µ anti neutrino muonico ν µ anti tau τ anti neutrino tauonico ν τ per un totale di 6 anti leptoni. Intro ANP Part. el. Exp Forze Unif Gr Concl Storia Prop Antimateria Quark e leptoni Barioni e mesoni Colore

55 Barioni 16 I barioni sono particelle composte da tre quark qqq mentre gli anti barioni sono particelle composte da tre anti quark q q q. Ecco alcuni esempi: protone p = uud neutrone n = udd lambda Λ = uds lambda c + Λ + c = udc omega Ω = sss antiprotone p = ūū d Intro ANP Part. el. Exp Forze Unif Gr Concl Storia Prop Antimateria Quark e leptoni Barioni e mesoni Colore

56 Barioni 16 I barioni sono particelle composte da tre quark qqq mentre gli anti barioni sono particelle composte da tre anti quark q q q. Ecco alcuni esempi: protone p = uud neutrone n = udd lambda Λ = uds lambda c + Λ + c = udc omega Ω = sss antiprotone p = ūū d Intro ANP Part. el. Exp Forze Unif Gr Concl Storia Prop Antimateria Quark e leptoni Barioni e mesoni Colore

57 Mesoni 17 I mesoni sono particelle composte da un quark ed un anti quark q q Ecco alcuni esempi: pione + pione 0 pione kaone + kaone 0 charmonium upsilon π + = u d π 0 = uū π = dū K + =u s K 0 =d s J/Ψ = c c Υ = b b Intro ANP Part. el. Exp Forze Unif Gr Concl Storia Prop Antimateria Quark e leptoni Barioni e mesoni Colore

58 Mesoni 17 I mesoni sono particelle composte da un quark ed un anti quark q q Ecco alcuni esempi: pione + pione 0 pione kaone + kaone 0 charmonium upsilon π + = u d π 0 = uū π = dū K + =u s K 0 =d s J/Ψ = c c Υ = b b Intro ANP Part. el. Exp Forze Unif Gr Concl Storia Prop Antimateria Quark e leptoni Barioni e mesoni Colore

59 Colore e sapore dei quark 18 Un principio fondamentale della fisica, noto come Principio di esclusione di Pauli, afferma che, se una particella A è composta da altre particelle di spin S = 1 2 allora A non può contenere particelle identiche in tutte le sue caratteristiche. Applichiamo questa idea ai quark (o anti quark): protone: p = uud, è possibile avere due quark up? Sì, a condizione che i due quark up hanno spin opposto; uno S z = l altro S z = 1 2 così da risultare non identici. omega : Ω = sss, è possibile avere tre quark strange? Non possiamo più utilizzare l idea precedente, infatti avremo comunque due quark strange con lo stesso spin problema! Intro ANP Part. el. Exp Forze Unif Gr Concl Storia Prop Antimateria Quark e leptoni Barioni e mesoni Colore

65 Colore e sapore dei quark 19 Per regolare questo problema si introduce una nuova proprietà dei quark, chiamata carica di colore (o colore) Q c, essa può assumere tre diversi valori Q c = r = rosso, Q c = v = verde, Q c = b = blu. I 6 tipi di quark sono detti sapori e per ogni sapore abbiamo tre possibili colori così da moltiplicare per 3 il numero di quark (e di anti quark). Una proprietà importante del colore è che le particelle composte da quark e/o anti quark devono essere di colore bianco, dove valgono le regole r + v + b = r + v + b = bianco r + r = v + v = b + b = bianco Le sole possibilità per bianco sono qqq, q q q e q q. Intro ANP Part. el. Exp Forze Unif Gr Concl Storia Prop Antimateria Quark e leptoni Barioni e mesoni Colore

69 Come produrre particelle 20 Metodi semplici: Elettroni: scaldando un metallo e accelerandoli con un campo elettrico, Protoni: ionizzazione dell idrogeno (ma anche semplicemente H 2 come bersaglio) Raggi cosmici: Particelle che arrivano dallo spazio (principalmente protoni) che urtano gli atomi nell atmosfera e producono altre particelle (principalmente muoni detti muoni cosmici). Reazioni nucleari: Nuclei radioattivi che si disintegrano emettendo neutroni, neutrini, raggi alfa (=particelle α), raggi beta (= elettroni, positroni), raggi gamma (= fotoni). Intro ANP Part. el. Exp Forze Unif Gr Concl Storia Produrre di particelle Vedere di particelle

72 Come produrre particelle 21 Acceleratori di particelle: Idea: si fanno collidere particelle per crearne delle nuove, che a loro volta possono collidere con altre eccetera; si isolano poi le particelle interessanti. Le particelle stabili possono essere stockate in grandi anelli e utilizzate al momento opportuno. Modalità BF: si accelerano elettroni o protoni che si fanno collidere su un bersaglio fisso. Modalità CF: si accelerano elettroni (o protoni) e positroni (o anti protoni) in un anello circolare provvisto di un campo magnetico, e si fanno scontrare in una collisione frontale. Più è alta la massa delle particelle cercate maggiore è l energia necessaria. Intro ANP Part. el. Exp Forze Unif Gr Concl Storia Produrre di particelle Vedere di particelle

78 Come produrre particelle 22 Centre Europe en Recherche Nucle aire (CERN), Ginevra Intro ANP Part. el. Exp Forze Unif Gr Concl Storia Produrre di particelle Vedere di particelle

79 Come produrre particelle 23 Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), California Intro ANP Part. el. Exp Forze Unif Gr Concl Storia Produrre di particelle Vedere di particelle

80 Come vedere particelle 24 Vi sono diversi detettori di particelle, le idee principali sono le seguenti: le particelle cariche con alta energia ionizzano/eccitano gli atomi che si trovano sul loro percorso, questi ioni/atomi eccitati generano effetti che permettono di vedere il passaggio delle particelle, i detettori sono sovente messi tra due magneti, poiché il comportamento delle particelle cariche in un campo magnetico dipende dalla loro energia cinetica e dalla loro carica elettrica, le particelle neutre sono ricostruite grazie alle tracce lasciate dalle particelle cariche e utilizzando la conservazione della quantità di moto e dell energia ad ogni vertice nelle traiettorie delle particelle cariche. Intro ANP Part. el. Exp Forze Unif Gr Concl Storia Produrre di particelle Vedere di particelle

84 Come vedere particelle 25 Detezione del positrone (1932) Intro ANP Part. el. Exp Forze Unif Gr Concl Storia Produrre di particelle Vedere di particelle

85 Come vedere particelle 26 Decadimento π µ + ν µ seguito da µ e + ν e + ν µ. Intro ANP Part. el. Exp Forze Unif Gr Concl Storia Produrre di particelle Vedere di particelle

86 Come vedere particelle 27 La scoperta della particella Ω Intro ANP Part. el. Exp Forze Unif Gr Concl Storia Produrre di particelle Vedere di particelle

87 L interazione tra particelle 28 Sviluppo dell idea classica: Newton/Coulomb (1665/1785): Se A e B non si toccano ma hanno un influsso reciproco, si parla di forza (o interazione) a distanza. Esempio: attrazione elettrica tra oggetti di carica opposta: Qe > 0 Qe < 0 Faraday (1850): B crea un campo e A subisce il suo effetto, il campo diventa l intermediario dell interazione. Esempio: una carica crea un campo elettrico E che a sua volta influisce su una seconda carica: E Qe > 0 Intro ANP Part. el. Exp Forze Unif Gr Concl Storia Idea Forza EM Forza forte Forza debole Bosoni

90 L interazione tra particelle 29 Nella teoria moderna (visione quantistica) l idea di campo è sostituita da un insieme di particelle che si propagano nello spazio: l interazione avviene attraverso lo scambio di particelle: le particelle mediatrici della forza. Esempio: l interazione tra elettroni avviene tramite lo scambio di fotoni poiché il campo elettrico (da un punto di vista quantistico) è composto da fotoni t γ e γ e γ Intro ANP Part. el. Exp Forze Unif Gr Concl Storia Idea Forza EM Forza forte Forza debole Bosoni

91 L interazione tra particelle 29 Nella teoria moderna (visione quantistica) l idea di campo è sostituita da un insieme di particelle che si propagano nello spazio: l interazione avviene attraverso lo scambio di particelle: le particelle mediatrici della forza. Esempio: l interazione tra elettroni avviene tramite lo scambio di fotoni poiché il campo elettrico (da un punto di vista quantistico) è composto da fotoni t γ e γ e γ Intro ANP Part. el. Exp Forze Unif Gr Concl Storia Idea Forza EM Forza forte Forza debole Bosoni

92 L interazione elettromagnetica 30 La caratteristica intrinseca delle particelle origine dell interazione elettromagnetica è la carica elettrica Q e : Q e interazione elettromagnetica Le particelle soggette a questa interazione sono i leptoni carichi, i quark e i bosoni vettori W ± mediatori della forza debole. La particella mediatrice dell interazione elettromagnetica è il Vi è un unico tipo di fotone. fotone γ. Intro ANP Part. el. Exp Forze Unif Gr Concl Storia Idea Forza EM Forza forte Forza debole Bosoni

96 L interazione elettromagnetica 31 Nella teoria quantistica dell interazione EM, nota come ElettroDinamica Quantistica QED, il meccanismo dell interazione è lo scambio di un fotone. Nell esempio le interazioni e e e e + e e e e + γ γ e e e e + Intro ANP Part. el. Exp Forze Unif Gr Concl Storia Idea Forza EM Forza forte Forza debole Bosoni

97 L interazione elettromagnetica 31 Nella teoria quantistica dell interazione EM, nota come ElettroDinamica Quantistica QED, il meccanismo dell interazione è lo scambio di un fotone. Nell esempio le interazioni e e e e + e e e e + γ γ e e e e + Intro ANP Part. el. Exp Forze Unif Gr Concl Storia Idea Forza EM Forza forte Forza debole Bosoni

98 L interazione nucleare forte 32 La caratteristica intrinseca delle particelle origine dell interazione nucleare forte è la carica di colore Q c : Q c interazione nucleare forte Le particelle soggette a questa interazione sono i quark e i gluoni. Le particelle mediatrici dell interazione forte sono i gluoni g(c c). I gluoni sono bicolori del tipo c c; vi sono 8 tipi di gluoni. Intro ANP Part. el. Exp Forze Unif Gr Concl Storia Idea Forza EM Forza forte Forza debole Bosoni

Vedere altro