Prof. Marika Navone Liceo Statale G.D.Cassini Sanremo

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1 Prof. Marika Navone Liceo Statale G.D.Cassini Sanremo

2 HAI FATTO TUTTO QUESTO CON I QUARK?... MA VA!

3 Le particelle, così piccole e così numerose costituiscono i semi di quel giardino che è il nostro universo.

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5 bosone neutrino muone Particella di Higgs?? gluone leptone barione kaone adrone pione mesone

6 Eccomi, sono Elettrone Io sono Up, Quark Up Io sono Down, Quark Down

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8 La materia è composta di molecole, queste sono combinazioni di atomi, ogni atomo ha un nucleo ed un certo numero di elettroni, che sono legati ad esso da fotoni. Un nucleo è composto di protoni e neutroni formati a loro volta da quark legati da gluoni

9 Il diametro di una piccola molecola è di norma un milionesimo di centimetro circa; quello di un atomo è una decina di volte più piccolo e quello di un nucleo è diecimila volte minore di quello dell atomo di cui fa parte. Protoni e neutroni sono molte volte più piccoli di un nucleo e, a quanto ne sappiamo oggi, quark e gluoni non hanno grandezza.

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11 LEPTONI simbolo massa di riposo (MeV/c2) carica elettrica neutrino elettronico ne circa 0 0 elettrone e- 0,511-1 neutrino muonico nm circa 0 0 muone m- 106,6-1 neutrino tauonico nt meno di tau t nome della particella

12 QUARK nome della particella simbolo massa di riposo (MeV/c2) carica elettrica u 310 2/3 d 310-1/3 c /3 s 505-1/3 t /3 b /3

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14 Atomo di elio Atomo di anti-elio

15 Di cruciale importanza è il fatto che quando particelle ed antiparticelle entrano in contatto fra loro, tendono molto rapidamente ad annichilirsi, ovvero a fondersi l'una con l'altra, trasformando tutta l'energia in loro possesso in radiazione elettromagnetica : una forma di energia analoga alla luce ed alle onde radio ma di intensità molto maggiore.

16 1. Scandagliare i componenti della materia 2. Imparare quali forze ne determinano l interazione 3. Trovare le regole

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18 Principio di rivelazione

19 In queste immagini, fasci di elettroni (e-) e di positroni (e+), perpendicolari allo schermo, si scontrano e si annichilano. Ne risultano quark e antiquark, che si combinano per formare mesoni e barioni, di cui si vedono le tracce. A sinistra, i tre sciami, nati da un quark, dal suo antiquark e da un gluone, forniscono la prova dell'esistenza dei gluoni. A destra, i due sciami di particelle sono prodotti da un quark e dal suo antiquark in moto nella direzione opposta.

20 In natura agiscono quattro forze fondamentali: Tipo di Interazione Nucleare Forte Elettromagnetica Nucleare Debole (radioattività) Gravitazionale Raggio di Azione (cm) Infinito Infinito Intensità Relativa Portatore di Carica Scala Atomica (cm) 1 Mesoni Fotone Z0 W+ W Gravitone Le quattro forze che governerebbero la materia variano in intensità ed in raggio d azione; la forza forte, anche se è la più potente, agisce solo su una distanza inferiore a cm, il diametro di un protone. Tutte le forze sono trasmesse da particelle portatrici di forza, le cui masse sono espresse in miliardi di elettronvolt(gev) divisi per il quadrato della velocità della luce. Essendo molto debole, la gravità non è studiata sperimentalmente dai fisici delle particelle -8

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22 Due particelle con la stessa carica elettrica (ad es. due elettroni) si respingono reciprocamente. Ma come avviene la repulsione? L'interazione fra due elettroni implica un fascio di fotoni (portatori della forza elettromagnetica) che passano da un elettrone all'altro e viceversa. Pensiamo a questi fotoni come a una grandinata di pallottole di mitragliatrice... allora ogni elettrone che emette un fascio di fotoni rincula, mentre al tempo stesso ogni elettrone che e' colpito da un fascio di fotoni è spinto via.

23 Più difficile è capire perché particelle di carica opposta (per esempio un elettrone e un protone) si attraggono, ma è proprio questo ciò che accade. Un'analogia che potrebbe esserci d'aiuto consiste nel pensare a un gruppo di atleti impegnati in un allenamento, che corrono lanciandosi reciprocamente una palla medica. Essi tendono ad avvicinarsi tra di loro perché altrimenti non sarebbero in grado di lanciarsi una palla cosi pesante!

24 A prima vista le forze sembrano essere molte e assai diverse tra loro, ma non è così. Negli ultimi tre secoli i fisici si sono accorti che per spiegare ogni interazione tra corpi, ogni struttura che si possa osservare o creare nell universo, bastano quattro forze: la forza gravitazionale la forza elettromagnetica e due forze che si manifestano solo dentro l atomo, chiamate semplicemente forte" e debole".

25 Al crescere ulteriore della temperatura anche la forza nucleare forte si indebolisce avvicinandosi per intensità a quella elettrodebole. Ma per osservarne l unificazione bisognerebbe raggiungere la fantastica temperatura di 10 miliardi di miliardi di miliardi di gradi. Questo non toglie che molti fisici siano tuttora convinti di essere sulla strada giusta. Come nel passato, i fisici hanno cercato regolarità o simmetrie che li potessero aiutare a semplificare la loro immagine delle particelle e delle interazioni. Trovando le leggi fondamentali che governano il comportamento delle particelle di materia e dei messaggeri, i fisici tentano ora di spiegare tutte le interazioni in un unico riferimento teorico. Le ipotesi che stanno alla base di questa nuova proposta, saranno presto verificate nei più avanzati laboratori tipo il CERN di Ginevra.

26 Ancora qualche modifica e la Teoria di grande unificazione (GUT), proposta nella sua prima formulazione nel 1973, descriverà anche la forza forte: tre su quattro. L ultima forza rimasta. la gravità, continua però a sfuggire all unificazione. Infatti, nel momento in cui si usa la GUT per calcolare alcune proprietà che dovrebbero potersi misurare sperimentalmente si ottengono valori infinitamente grandi anziché numeri sensati.

27 Nel 19 secolo Maxwell unificò elettricità, magnetismo e ottica nell'unica teoria elettromagnetica. Circa un secolo dopo, Glashow, Weinberg esalam svilupparono una teoria che unificava l'elettromagnetismo con l'interazione debole nella teoria elettrodebole. I tre fisici hanno condiviso il premio Nobel per la Fisica nel 1979.

28 Non è solo una teoria bensì la combinazione di espressioni matematiche e della loro fondazione sperimentale. Include tutte le leggi naturali che conosciamo tranne la gravità.

29 La teoria viene descritta con riferimento alle particelle materiali ( quark e leptoni su cui agiscono le forze) e alle particelle che trasmettono le forze ( bosoni di gauge e bosoni di Higgs)

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31 Le principali particelle elementari sono divise in famiglie: la prima famiglia comprende il fotone ed il gravitone (ed ora, come sempre, anche le rispettive antiparticelle), anche se quest'ultima particella, che dovrebbe essere la mediatrice delle forze gravitazionali, non è stata ancora osservata. la seconda famiglia è quella dei leptoni, cioè delle particelle leggere, non ulteriormente suddivisibili in altre particelle la terza, famiglia è quella dei mesoni. la quarta famiglia è quella dei barioni, cioè di particelle pesanti, che comprende i nucleoni (protoni e neutroni) e gli iperoni (particelle molto pesanti).

32 Un'altra possibile classificazione delle particelle è in fermioni e bosoni. fermioni sono tutte quelle particelle che hanno spin semintero; bosoni sono tutte quelle particelle che hanno spin intero o nullo. I bosoni di Higgs hanno spin 0, quark e leptoni hanno spin ½, i quanti che mediano le forze (γ, W+, W-,Z0 e i gluoni) hanno tutti spin 1. La distinzione ora fatta è importante: mentre i fermioni ubbidiscono al principio di Pauli, la stessa cosa non accade per i bosoni. Le due classi di particelle sono descritte da differenti statistiche (i fermioni, la statistica di Fermi-Dirac; i bosoni, la statistica di Bose-Einstein). Riguardo alle classificazioni c'è solo da aggiungere che i mesoni ed i barioni, nel loro insieme, sono chiamati adroni.

33 I baroni come il protone, il neutrone..., sono formati da tre quark. i mesoni sono composti da un quark e da un antiquark, di colori opposti

34 in modo che la particella risultante sia sempre bianca.

35 Una grande quantità di neutrini fu prodotta nel Big Bang. L'Universo da allora si è espanso enormemente nel corso di 15 miliardi di anni. Di quei neutrini se ne trovano circa 330 in ogni centimetro cubo dell'universo attuale!! Galassie, stelle, pianeti e la nostra Terra immersi in una nube di neutrini fossili

36 Il caso neutrino Previsto dalla teoria più di settant anni fa e osservato sperimentalmente, il NEUTRINO, ha avuto da sempre la fama di PARTICELLA FANTASMA E non è difficile capir perché, visto che NON HA CARICA E NON HA MASSA! ( o almeno così si è pensato per molto tempo) E che ce ne facciamo di una particella del genere? Sembrerà strano: non solo è utile, ma è indispensabile nei decadimenti Stando a quello che si sapeva intorno agli anni 30, durante questi processi un neutrone decade in un protone ed un elettrone. n p + ema si trovò sperimentalmente che in questo modo i conti sull'energia non tornavano: ne svaniva un pò durante il processo! E poichè l'energia notoriamente si conserva, il problema era alquanto grave... Dove andava a finire l energia mancante?

37 Gli altri principi, come la conservazione della carica, venivano rispettati. Quel qualcosa fu ipotizzato da Pauli, e fu battezzato, appunto,neutrino, poiché privo di carica. Perchè i fisici hanno dovuto faticare tanto per rivelarne l'esistenza? IL PROBLEMA FONDAMENTALE E' CHE IL NEUTRINO INTERAGISCE POCHISSIMO CON LA MATERIA! Pensate che in ogni istante sciami di neutrini attraversano il vostro corpo!!! Il sole, infatti, è sede di incessanti processi nucleari da cui hanno origine miriadi di neutrini... Su ogni centimetro della Terra arrivano 1011 neutrini per secondo! Non ve ne siete mai accorti, vero? per questo c'è voluto tanto per "vederlo": oggi tuttavia è un leptone riconosciuto a tutti gli effetti!

38 La radiazione elettromagnetica interagisce con il nostro corpo e vi deposita la sua energia (calore). I neutrini hanno una bassissima probabilità di interazione e ci trapassano senza rilasciare energia (per fortuna ). Ogni secondo, un uomo è attraversato da: miliardi di neutrini provenienti dal Sole 50 miliardi di neutrini dalla radioattività delle rocce terrestri da 10 a 100 miliardi di neutrini provenienti da tutte le centrali nucleari mondiali Ma attenzione: il corpo umano contiene circa 20 mg di Potassio 40, che è betaradioattivo: quindi emettiamo circa 340 milioni di neutrini al giorno, che ci lasciano alla velocità della luce e si perdono nell'immensità dell'universo!

39 Ad esempio con esperimenti radio chimici: il neutrino interagisce con un elemento (es. Cloro o Gallio) e produce alcuni (pochi!) atomi di un altro elemento (Argon o Germanio), che essendo radioattivo può essere rivelato con opportuna estrazione. Tali esperimenti sono stati condotti a partire dagli anni 70 e, benché siano sensibili a neutrini di energia diversa, mostrano un chiaro deficit di neutrini rivelati. Esperimento GALLEX al Lab. del Gran Sasso che per primo ha rivelato i neutrini provenienti dal Sole dalla reazione p-p

40 Un altro esperimento, Super Kamiokande in Giappone, ha misurato il flusso di neutrini solari di alta energia, rivelando la luce prodotta dagli elettroni diffusi elasticamente dai neutrini: Gli elettroni sono quelli dell acqua contenuta in una grande piscina sotterranea profonda 50 m, le cui pareti sono ricoperte da rivelatori di luce (fotomoltiplicatori). La luce è prodotta dagli elettroni o da altre particelle che viaggiano ad alta velocità nell acqua, a seguito della diffusione da parte del neutrino. I rivelatori di neutrini solari sono sensibili ai neutrini elettronici (quelli che vengono dal Sole, appunto). Se tali neutrini oscillassero durante il loro viaggio dal Sole alla Terra, potrebbero, per valori opportuni dei parametri di oscillazione, arrivare come neutrini di un tipo diverso sulla Terra (nm o nt) e non essere quindi rivelati. Ciò può produrre l osservata mancanza di ne rispetto alle predizioni della teoria. I risultati sperimentali ottenuti combinando le misure dei vari esperimenti supportano fortemente questa ipotesi.

41 I risultati sperimentali sul deficit di neutrini muonici atmosferici può essere interpretato in termini di oscillazioni di neutrino? Per verificare questa possibilità si è pensato di realizzare dei fasci artificiali di neutrini (da acceleratori di particelle) in grado di ricostruire le stesse condizioni dei neutrini atmosferici con esperimenti di laboratorio (controllati).

42 2ª legge di Newton F=m a dove F è la forza impressa ad un corpo, m la sua massa a l accelerazione impartita al corpo.

43 POSTULATI: Le leggi della fisica sono le stesse per tutti gli osservatori inerziali La velocità della luce ha lo stesso valore in tutti i sistemi inerziali

44 t = t0 u2 1 2 c Dilatazione relativistica dei tempi v±u v = vu 1± 2 c ' Composizione relativistica delle velocità u2 l = l0 1 2 c Contrazione relativistica delle lunghezze m= m0 v2 1 2 c Dilatazione relativistica della massa

45 Equazione di Schrodinger ψ 8π m(e U ) + ψ = x h 2 nella forma indipendente dal tempo funzione d onda: il suo quadrato viene interpretato come la probabilità di trovare la particella considerata in una determinata posizione, in un determinato istante E energia totale di una particella U energia potenziale

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47 Sitografia: