VITA, MORTE E MIRACOLI DEL MODELLO STANDARD

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1 VITA, MORTE E MIRACOLI DEL MODELLO STANDARD Una stella media delle dimensioni del Sole ha una massa di circa 10^33 g, ma per indagare la natura di questi giganti la scienza sta studiando particelle con una massa più piccola di 55 ordini di grandezza. Perché? A Cura di: Marco Baldassarre, Alessandro Amitrano. Relatore: Marco De Martino

2 Nascita Modello Atomico Empedocle Nel V sec A.C. cominciò a discutere sui quattro elementi che regolavano la realtà: acqua, terra, fuoco, aria. Ancor più sorprendente è che il filosofo considerava questi quattro elementi mediati da due forze: l Amore e la Discordia. Democrito Ebbe l idea tanto avventata quanto originale di individuare teoricamente delle entità indivisibili che vanno a formare la materia sia fisica che psichica. Sono i famosi: ATOMI

3 Il Modello Atomico Classico 2500 ANNI DI EVOLUZIONE Fino al 1500: Diffusione Teoria Tomistica avversa all Atomismo Avvento Filosofia Neoplatonica basata su capisaldi dell Atomismo. Oggi Sempre più numerose scoperte hanno rivoluzionato le teorie classiche. Scindibilità Atomica: Nuove Particelle dette Subatomiche

4 Le Particelle Elementari Come è noto nel corso del XIX e XX Secolo si sono scoperte particelle elementari fondamentali : - Il Protone Elettricamente Positivo (+) - Il Neutrone Elettricamente Neutro - L Elettrone Elettricamente Negativo (-), che orbita attorno al nucleo costituito dalle prime due particelle e che possiede una massa circa 1836 volte più piccola del protone, quindi trascurabile.

5 Dall Atomo Classico all Atomo Moderno Che cos è l Elementarità? Si definisce elementare ogni elemento di materia di cui al momento attuale non si conosce la struttura interna. Dal 1945 l elevato numero di particelle che venivano trovate quasi quotidianamente metteva a dura prova il concetto fondante dello stesso modello atomico e cioè la riduzione della realtà complessa ad entità elementari.

6 Una Nuova Classificazione Le proprietà di cui godevano le particelle stesse erano complesse (spin, massa, carica, vita media, etc.), quindi si è pensato di classificare questi corpuscoli analizzando la forza della natura con la quale interagiscono: - Leptoni: che interagiscono attraverso la forza nucleare debole e comprendenti l elettrone, il muone, il tau, i tre tipi di neutrini ν e, ν µ, ν τ - Adroni: che interagiscono attraverso l interazione nucleare forte e sono suddivisi in due sottogruppi : i mesoni e i barioni.

7 Quark Nel 1964 Murray Gell-Mann considerò ogni adrone come formato dalla combinazione di tre unità di materia chiamate Quark e indicate con i simboli u (up), d (down), s (strange). La terminologia Quark in realtà non vuol dire niente, infatti fu presa da una curiosa frase : three quarks for Mr Marks tratta da Finnegan s Wake di James Joyce. Naturalmente ad ogni quark corrisponde un antiquark.

8 Barioni e Mesoni Come gli elefanti, che sono animali sociali, i quark vivono solo insieme ad altri quark. I singoli quark hanno cariche elettriche frazionarie. Ma queste cariche frazionarie non sono mai state osservate direttamente perché i quark non vanno mai in giro da soli; invece, si trovano in gruppi a formare delle particelle composte, chiamate adroni. La somma delle cariche elettriche dei quark che compongono un adrone è sempre un numero intero. Ci sono due classi di adroni: I barioni I barioni sono gli adroni composti da tre quark. I mesoni I mesoni contengono un quark e un antiquark. Nel corso del tempo si sono ritrovati alcuni casi in cui il modello a quark non si conformava del tutto alla Natura. Per spiegare questi fenomeni sono stati introdotti, prima teoricamente, e poi infine ritrovati empiricamente il quark c (charm), t (top), b (beauty).

9 Le Forze Fondamentali Forza Nucleare Forte: Garantisce l integrità nucleare contrastando la repulsione elettrostatica dei protoni. Forza Nucleare Debole E responsabile di alcuni decadimenti radioattivi, cioè processi nucleari caratterizzati dall emissione di alcune particelle da parte di nuclei pesanti. Forza Elettromagnetica Agisce fra particelle dotate di carica elettrica. Due Particelle cariche interagiscono con una forza repulsiva o attrattiva a secondo che loro carica sia concorde o meno. Forza di Gravità La più comune e al contempo quella più sconosciuta. E una forza attrattiva che due corpi qualsiasi esercitano l uno sull altro.

10 Teoria della Grande Unificazione Le interazioni fondamentali e i mediatori Per dare una descrizione unitaria della Natura si è formulata una teoria che cercasse di riunire in un unica grande forza le quattro interazioni della natura: la TEORIA DELLA GRANDE UNIFICAZIONE. Questa, che ha come matrice il modello del Big Bang, si basa sul presupposto che le forze fondamentali appaiono diverse a causa della rottura di una simmetria iniziale, cioè in conseguenza di una serie di transizione di fase che le hanno differenziate man mano che l universo si raffreddava dopo la grande esplosione.

11 I Mediatori Bosoni Mediatori: Forza Nucleare Forte Gluoni Forza Nucleare Debole Bosoni W+,W-,Z Forza Elettromagnetica Fotoni Forza Gravitazionale Gravitoni?

12 Il Modello Standard Tutta la materia ordinaria è costituita da: Leptoni (νe, νµ, ντ., e-, µ, τ ). Quark (u,d,s,t,b,c). Bosoni Mediatori (fotone, gluone, W, Z). Perché esistono tante particelle? Nessuno ha idea del perché debbano esistere altre particelle più pesanti come per esempio il muone. E infatti necessario che la fisica teorica giustifichi la presenza di questi fantasmi che nascono e muoiono in intervalli brevissimi e che riesca ad affermare che il modello standard non sia costituito da particelle ancora più piccole.

13 Una Conclusione Incerta Si può dire che il modello standard descriva coerentemente la Natura? No. La Gravità è infatti esclusa dal quadro del modello standard.questa assenza ha due motivi: Il primo di ordine pratico in quanto nel mondo sub nucleare la forza di gravità è quasi del tutto trascurabile; Il secondo di carattere più fondamentale poiché non è stato finora possibile costruire una teoria quantistica in grado di comprendere la gravità. È per questo motivo che i fisici considerano il modello standard una teoria incompleta, una transizione verso qualcosa di più generale che pieghi veramente l universo macroscopico partendo dalle sue più microscopiche componenti.