Introduzione alla Fisica delle Particelle

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1 Introduzione alla Fisica delle Particelle Gino Isidori [INFN Frascati] Introduzione Modelli matematici e costanti fisiche Campi e Particelle Il Modello Standard Problemi aperti

2 I. Introduzione [Di cosa si occupa la Fisica delle Particelle?] Acceleratore Stella

3 I. Introduzione [Di cosa si occupa la Fisica delle Particelle?] Acceleratore Stella Lo scopo principale è comprendere le leggi che governano le interazioni dei costituenti elementari della materia (fisica delle interazioni fondamentali)

4 Introduzione In questa ricerca negli ultimi 20 anni è emerso un modello matematico di grande successo che chiamiamo il Modello Standard Il Modello Standard è un modello relativamente semplice, che descrive con successo (quasi) tutte le interazioni dei costituenti elementari della materia: dai nuclei atomici... alla struttura delle stelle!

5 Introduzione In questa ricerca negli ultimi 20 anni è emerso un modello matematico di grande successo che chiamiamo il Modello Standard Il Modello Standard è un modello relativamente semplice, che descrive con successo (quasi) tutte le interazioni dei costituenti elementari della materia: dai nuclei atomici... alla struttura delle stelle! In gergo tecnico, si tratta di: Una teoria di campo quantisica e relativistica, basata su 2 Simmetrie fondamentali: simmetria di colore (interazioni forti) e simmetria elettrodebole (interazioni deboli ed eletromagnetiche) 3 Costituenti fondamentali: le 3 famiglie di quarks e leptoni

6 Introduzione In questa ricerca negli ultimi 20 anni è emerso un modello matematico di grande successo che chiamiamo il Modello Standard Il Modello Standard è un modello relativamente semplice, che descrive con successo (quasi) tutte le interazioni dei costituenti elementari della materia: dai nuclei atomici... alla struttura delle stelle! In gergo tecnico, si tratta di: Una teoria di campo quantisica e relativistica, basata su 2 Simmetrie fondamentali: simmetria di colore (interazioni forti) e simmetria elettrodebole (interazioni deboli ed eletromagnetiche) 3 Costituenti fondamentali: le 3 famiglie di quarks e leptoni Un gioco a squadre con la palla......la palla si puo toccare solo con i piedi giocatori per squadra

7 II. Modelli matematici e costanti fisiche

8 Modelli matematici e costanti fisiche Come ci ha insegnato Galileo, lo scopo della fisica è quello di trovare modelli matematici in grado di descrivere (e prevedere) i fenomeni naurali Modello matematico = insieme di principi logici (leggi di simmetria, etc...) serie di equazioni per variabili adimensionali Unità di misura Fenomeni naturali [grandezze dimensionali]

9 Modelli matematici e costanti fisiche Come ci ha insegnato Galileo, lo scopo della fisica è quello di trovare modelli matematici in grado di descrivere (e prevedere) i fenomeni naurali Modello matematico = insieme di principi logici (leggi di simmetria, etc...) serie di equazioni per variabili adimensionali Esempio: Unità di misura h(t) = ½ g t2 Coefficiente numerico [fissato dalla teoria] Costante fisica dimensionale [determinata dagli esperimenti] Fenomeni naturali [grandezze dimensionali]

10 Modelli matematici e costanti fisiche Come ci ha insegnato Galileo, lo scopo della fisica è quello di trovare modelli matematici in grado di descrivere (e prevedere) i fenomeni naurali Modello matematico = insieme di principi logici (leggi di simmetria, etc...) serie di equazioni per variabili adimensionali In una teoria ideale tutti i coefficienti numerici (costanti adimensionali) sono calcolabili Unità di misura e le unità di misura sono automaticamente determinate da costanti fisiche dimensionali universali Fenomeni naturali [grandezze dimensionali]

11 Modelli matematici e costanti fisiche Come ci ha insegnato Galileo, lo scopo della fisica è quello di trovare modelli matematici in grado di descrivere (e prevedere) i fenomeni naurali Modello matematico = insieme di principi logici (leggi di simmetria, etc...) serie di equazioni per variabili adimensionali In una teoria ideale tutti i coefficienti numerici (costanti adimensionali) sono calcolabili Unità di misura e le unità di misura sono automaticamente determinate da costanti fisiche dimensionali universali [spazio, tempo, energia] 3 unità fondamentali Fenomeni naturali [grandezze dimensionali]

12 Modelli matematici e costanti fisiche La scelta più naturale per queste 3 unità (costanti) fondamentali è data da: La velocita della luce nel vuoto [ c ] Elettromagnetismo (eq.ni di Maxwell) Relatività ristretta (E = m c2,...) La costante di Planck [ ħ ] Meccanica quanitstica (spin elettrone = ħ/2, principio di indeterminazione: x p > ħ & E t > ħ,... ) La costante di gravitazione universale [ G ] Legge gravitazione di Newton ( F = G m1m2 / r2 ) Relatività generale

13 Modelli matematici e costanti fisiche La scelta più naturale per queste 3 unità (costanti) fondamentali è data da: La velocita della luce nel vuoto c = m2 s 1 kg 1 [ velocità = lunghezza / tempo ] La costante di Planck ħ = m2 s 1 kg 1 [ azione = energia tempo ] La costante di gravitazione universale G = m3 s 2 kg 1 [ energia lunghezza / massa2 ] Le 3 unità hannno valori molto poco naturali nel Sistema Intermazionale (m kg s) poiché quest'ultimo è un sistema convenzionale, scelto a misura d'uomo. Ma l'universalità di queste costanti fisiche ci segnala che in nautra esistono delle unità fondamentali (non convenzionali)

14 Modelli matematici e costanti fisiche La scelta più naturale per queste 3 unità (costanti) fondamentali è data da: La velocita della luce nel vuoto c = m2 s 1 kg 1 [ velocità = lunghezza / tempo ] La costante di Planck ħ = m2 s 1 kg 1 [ azione = energia tempo ] La costante di gravitazione universale G = m3 s 2 kg 1 [ energia lunghezza / massa2 ] Nel Modello Standard c e ħ sono perfettamente integrate come unità fondamentali, questo ci permette di misurare/descrivere tutti i fenomeni in unità di energia Esempio: E = 1 GeV (L'energia delle collisioni a Dafne) Ec Kg (Massa del protone) ħ/e s ħc/e m

15 Modelli matematici e costanti fisiche La scelta più naturale per queste 3 unità (costanti) fondamentali è data da: La velocita della luce nel vuoto c = m2 s 1 kg 1 [ velocità = lunghezza / tempo ] La costante di Planck ħ = m2 s 1 kg 1 [ azione = energia tempo ] La costante di gravitazione universale G = m3 s 2 kg 1 [ energia lunghezza / massa2 ] Nel Modello Standard c e ħ sono perfettamente integrate come unità fondamentali, questo ci permette di misurare/descrivere tutti i fenomeni in unità di energia Esempio: E = 1 GeV Ec Kg ħ/e s ħc/e m Ma non abbiamo ancora capito se esiste una scala fondamentale di energia, e se e come questa scala è associata a G [ Mgravity = (ħc/g)1/ Mproton ]

16 Modelli matematici e costanti fisiche G Meccanica classica ħ c 1 Velocità trascurabili rispetto a c Azioni ( E t) grandi rispetto ad ħ Energia piccola (forza di gravità trascurabile)

17 Modelli matematici e costanti fisiche G Gravitazione di Newton Meccanica classica Meccanica quantistica non relativistica ħ Eq.ni Maxwell Relatività ristretta c 1

18 Modelli matematici e costanti fisiche G Gravitazione di Newton Relatività Generale Meccanica classica Eq.ni Maxwell Relatività ristretta Teoria dei Meccanica quantistica quantistica non relativistica (Modello Standard) ħ campi c 1

19 Modelli matematici e costanti fisiche G Gravitazione di Newton Relatività Generale Meccanica classica? Eq.ni Maxwell Relatività ristretta Teoria dei Meccanica quantistica quantistica non relativistica (Modello Standard) ħ campi c 1

20 III. Campi e Particelle

21 Campi e Particelle I due pilastri su cui si basa la teoria quantistica dei campi sono le due rivoluzioni rispetto alla fisica classica avvenute all'inizio del secolo scorso: la meccanica quantistica e la teoria della relatività ristretta meccanica quantistica [principio di indeterminazione E t > ħ ] relatività ristretta [equivalenza massa energia E = m c2 ] teoria quantistica dei campi

22 Pillole di meccanica quantistica: Nella meccanica classica, le eq.ni che ci permettono di descrivere la traiettoria di una particella (ovvero determinare posizione & velocità) possono essere dedotte da un principio variazionale: il principio di minima azione Azione = Somma su tutti gli intervalli di tempo di x x(t) [ Ecinetica Epotenziale t Fra tutte le traiettorie possibili, la particella sceglie quella che minimizza l'azione x2(t2) x1(t1) t

23 Pillole di meccanica quantistica: Nella meccanica classica, le eq.ni che ci permettono di descrivere la traiettoria di una particella (ovvero determinare posizione & velocità) possono essere dedotte da un principio variazionale: il principio di minima azione Azione = Somma su tutti gli intervalli di tempo di x x(t) [ Ecinetica Epotenziale t Fra tutte le traiettorie possibili, la particella sceglie quella che minimizza l'azione x2(t2) x1(t1) t

24 Pillole di meccanica quantistica: Nella meccanica classica, le eq.ni che ci permettono di descrivere la traiettoria di una particella (ovvero determinare posizione & velocità) possono essere dedotte da un principio variazionale: il principio di minima azione Azione = Somma su tutti gli intervalli di tempo di x x(t) [ Ecinetica Epotenziale t Fra tutte le traiettorie possibili, la particella sceglie quella che minimizza l'azione x2(t2) x1(t1) t Mentre il concetto di eq.ni del moto perde di significato nell'ambito della meccanica quantistica, quello di azione (e traiettoria) continuano a rivestire un ruolo molto importante.

25 Pillole di meccanica quantistica: I principi fondamentali della meccanica quantistica possono essere formulati nel modo seguente: A livello fondamentale [o meglio per processi fisici la cui azione complessiva è confrontabile con la costante di Planck] è impossibile determinare l'evoluzione di un sitema in modo deterministico. Tuttavia, ad ogni processo possiamo associare e calcolare con precisione un'ampiezza di probablilità, ovvero una quantità che determina la probablilità con cui il processo avviene. L'ampiezza di probablilità si ottiene sommando su tutte le possibili traiettorie, ciascuna pesata per un fattore di fase determinato dall'azione della traiettoria in unità della costante di Planck fattore di fase le diverse traiettorie interferiscono fra loro come delle onde la traiettoria clasisca vince solo se E t >> ħ x x2(t2) x1(t1) t

26 Pillole di meccanica quantistica: traiettoria classica......e fluttuazioni quantistiche

27 Campi e Particelle I due pilastri su cui si basa la teoria quantistica dei campi sono le due rivoluzioni rispetto alla fisica classica avvenute all'inizio del secolo scorso: la meccanica quantistica e la teoria della relatività ristretta meccanica quantistica [principio di indeterminazione E t > ħ ] relatività ristretta [equivalenza massa energia E = m c2 ] teoria quantistica dei campi Per mettere insieme questi due pilastri, l'ultimo concetto classico che dobbiamo abbandonare è l'idea che eistanto delle particelle indistruttibili (ovvero che il numero di costituenti elementari della materia si conservi). Le particelle elementari non sono altro che delle eccitazioni di particolari campi (un po' come le onde sono le eccitazioni della superficie del mare)

28 Campi e Particelle Le particelle elementari non sono altro che delle eccitazioni di particolari campi (un po' come le onde sono le eccitazioni della superficie del mare) fotone elettrone campo elettromagnetico campo dell'elettrone La teoria quantistica dei campi è lo strumento matematico che ci permette di descrivere come i campi (ovvero come i costituenti elementari della materia) interagiscono fra loro: non è altro che un applicazione dei principi probabilistici della meccanica quantistica ai campi invece che alle particelle. In principio esistono molte teorie quantistiche di campo, che differiscono per la forma dell'azione [ovvero per il modo in cui i campi interagiscono fra loro] e per la natura dei campi: il famoso Modello Standard è una di queste.

29 VI. Il Modello Standard

30 Il Modello Standard Per definire il Modello Standard dobbiamo identificare i campi fondamentali e il modo in cui questi interagiscono fra loro (ovvero l'azione della teoria). Due grandi categorie: Campi di materia (elettrone,...) (spin=1/2) Mediatori delle forze (fotone,...) (spin=1)

31 Il Modello Standard Per definire il Modello Standard dobbiamo identificare i campi fondamentali e il modo in cui questi interagiscono fra loro (ovvero l'azione della teoria). Due grandi categorie: Campi di materia (elettrone,...) (spin=1/2) Mediatori delle forze (fotone,...) (spin=1) Il numero e le proprietà dei mediatori sono completamente specificate da due principi di simmetria la simmetria di colore (interazioni nucleari forti) la simmetria elettro debole (interazioni nucelari deboli ed elettromagnetiche)

32 Il Modello Standard Una delle conseguenze principali della simmetria elettrodebole è la conservazione della carica elettrica nelle interazioni elettromagnetiche: e e e e Q +2/3 e+ e 1/3 0 1 N.B.: l'interazione fra i campi è sempre locale ( principio di causalità) interazione elettromagnetica

33 Il Modello Standard La simmetria di colore è responsabile del forte legame (confinamento) dei quark all'interno di protoni e neutroni (i costituenti del nucleo atomico): Ciascun quark ha una carica di colore, che puo assumere 3 valori (R,G,B), e che scambia continuamente con gli altri quark tramite gli 8 mediatori (gluoni): gli unici stati macroscopicamente stabili sono quelli neutri ( bianchi ) dal punto di vista di questa interazione. interazione forte (o di colore) u p u d p

34 Il Modello Standard L'interazione debole è responsabile dei decadimenti nucleari, ma anche dei processi di fusione che avvengono all'inteno delle stelle. E' l'unica interazione che sentono anche i neutrini connette fra loro le diverse famiglie di quarks e leptoni i cui mediatori (i bosoni W e Z) hanno una massa non nulla (motivo della debolezza dell'interazione a basse energie) interazione debole

35 Il Modello Standard N.B.: le intensità effettive delle tre interazioni sono molto differenti fra loro a basse energie, ma diventano molto simili ad energie in cui possiamo trascurare tutte le masse: E ~ 1 GeV E ~ 100 GeV gstrong ~3 ~1.2 gweak ~0.01 ~0.4 ge.m. ~0.2 ~0.3

36 VII. Problemi aperti

37 Il problema delle masse ed il fantomatico bosone di Higgs La simmetria elettrodebole implica che nessuna delle particelle del modello può avere massa, a differenza di ciò che ci dicono gli esperimenti: le differenti masse sono l'unica caratteristica che differenzia fra loro le tre famiglie di quarks e leptoni

38 Il problema delle masse ed il fantomatico bosone di Higgs La simmetria elettrodebole implica che nessuna delle particelle del modello può avere massa, a differenza di ciò che ci dicono gli esperimenti. Nella versione Standard del modello, questo problema è risolto introducendo un nuovo campo: il famoso campo di Higgs La massa delle varie particelle del Modello Standard è un effetto dell'interazione con il campo di Higgs (un po' come la diversa velocita' delle barche dipende da quanto pescano nel mare)

39 Il problema delle masse ed il fantomatico bosone di Higgs La massa delle varie particelle del Modello Standard è un effetto dell'interazione con il campo di Higgs (un po' come la diversa velocita' delle barche dipende da quanto pescano nel mare) Sebbene questa soluzione sembri consistente dal punto di vista teorico, nessun esperiemento fino ad ora è riuscito a produrre il bosone di Higgs (l'eccitazione di questo campo). Una risposta a questo problema sarà quasi certamente fornita dagli esperiementi all'lhc, e... non è affatto detto che troveremo ciò che ci aspettiamo!! Il campo di Higgs è sostanzialmente una nuova interazione, ma a differenza delle quattro forze standard [nucleare forte, nucleare debole, elettromagnetica, gravità], non è basato su un principo di simmetria, per questo sospettiamo fortemente che non sia un interazione fondamentale

40 La materia oscura... anche perchè da informazioni di astrofisica sappiamo che c'è molto altro nell'universo che non conosciamo: Elementi pesanti: 0.03% Neutrini: 0.3% Stelle: 0.5% Idrogeno ed Elio liberi: 4% Materia Oscura: 25% Energia Oscura: 70%

41 Da Vita di Galileo di Berthold Brecht:...e in quel momento capii che l'era antica era finita, e stava per cominciare una nuova era... molto è stato trovato già ma quello che ancora è da scoprire è di più

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43 Pillole di relatività: La teoria della relatività ristretta nasce dall'esigenza di conciliare due principi molto semplici, apparentemente in contraddizione fra loro: Invarianza delle leggi fisiche per sistemi di riferimento in moto uniforme [relatività Galileiana] Non esiste un sistema di riferimento privilegiato La velocità v = x / t è una grandezza relativa (dipende dall'osservatore) Invarianza della velocità della luce nel vuoto [vari esperimenti ad inizio '900 + eq.ni di Maxwell]

44 Pillole di relatività: La teoria della relatività ristretta nasce dall'esigenza di conciliare due principi molto semplici, apparentemente in contraddizione fra loro: Invarianza delle leggi fisiche per sistemi di riferimento in moto uniforme [relatività Galileiana] Non esiste un sistema di riferimento privilegiato La velocità v = x / t è una grandezza relativa (dipende dall'osservatore) Non c'e' alcuna contraddizione! Invarianza della velocità della luce nel vuoto [vari esperimenti ad inizio '900 + eq.ni di Maxwell] Anche le misure di spazio e tempo ( x & t) sono grandezze relative (dipendono dall'osservatore) La variazione delle misure di spazio e tempo è tale che tutti gli osservatori vedono la luce viaggiare alla stessa velocità (c)