Modello standard e oltre...

Area di progetto

Che c ch in gia co mo

Fisica delle particelle

La Fisica delle particelle (FdP) s’interessa del comportamento fisico dei costituenti fondamentali del mondo, i.e. di oggetti al contempo molto piccoli e molto veloci.

Essa è quindi l’arena naturale per l’esibizione simultanea della Meccanica Quantistica (piccole dimensioni) e della Relatività Speciale (alte velocità). →

I Costituenti Fondamentali sono suddivisi in base al loro spin: Fermioni con spin semintero e Bosoni con spin intero.

Lo spin da un’idea intuitiva si potrebbe ipotizzare come una rotazione della particella attorno a un asse, quest’idea è sbagliata infatti un oggetto puntiforme come le particelle in questione non possono ruotare su sé stesse.

Lo spin viene invece definito come una quantità determinata che rappresenta (in unità di ħ) il momento angolare intrinseco della particella.

H tagliato) è la costante di Dirac corrispondente all quoziente tra la costante di Planck (h) e 2π.

I Costituenti sono di due tipi: Costituenti Materiali (Fermioni a spin 1/2 in cui troviamo Leptoni e Quarks) e i Mediatori d’interazioni (Bosoni).

Tutta la materia ordinaria che osserviamo nel mondo macroscopico è costituita da quark e leptoni: è infatti costituita da atomi che sono a loro volta composti da un nucleo e uno o più elettroni, che sono i più leggeri tra i Leptoni carichi.

I quark

Dove sono il protone, il neutrone, i pioni e le altre particelle subatomiche?

Esperimenti di diffusione di elettroni su protoni e neutroni mostrano che queste non sono particelle elementari, ma possiedono componenti interni: quarks.

Le caratteristiche essenziali dei quarks sono:

• Carica elettrica frazionaria (in quanto appartengono alla categoria dei Fermioni)
• Carica di colore: ciascun colore esiste in tre versioni: rosso, verde, blu (antiquarks portano l’anticolore)

Regole di combinazione dei quarks: solo oggetti bianchi, cioè {RVB} oppure {colore – anticolore} in modo da dare carica elettrica intera (o nulla).

Esempio: Barioni (e.g. p,n) tripletti di quarks

p = {u, u, d} n = {d, d, u}

Le tre famiglie di Quark prevedono ciascuna un Quark di carica + 2 / 3 e uno di carica − 1 / 3.

I Quark più leggeri sono up (u) e down (d), che combinati secondo lo schema uud formano il protone (di carica + 2 / 3 + 2 / 3 − 1 / 3 = + 1), mentre combinati secondo lo schema udd formano il neutrone (di carica + 2 / 3 − 1 / 3 − 1 / 3 = 0).

Le interazioni fondamentali

Le interazioni fondamentali sono 4:

• Gravitazionale ed elettromagnetica: familiari nella vita quotidiana (causa il raggio d’azione infinito)
• β Debole: responsabile della radioattività (decadimento del neutrone n → p + e⁻ + ν_e)
• Forte: inizialmente ritenuta responsabile del legame nucleare e mediata dal pione. Natura composta di p, n, π interpretata come residuo dell’interazione di colore tra i quarks mediata da gluoni colorati (trasportano colore – anticolore 8 combinazioni diverse)

* Sono in realtà manifestazioni di una stessa interazione: Elettrodebole (E.W.)

ħ = 1, 054 571628 (53) x 10⁻³⁴ J s

Acceleratori di particelle

Come abbiamo accennato prima i costituenti fondamentali sono stati individuati mediante la diffusione di elettroni su protoni e neutroni; questo viene fatto mediante gli acceleratori di particelle.

I dettagli di un microsistema (atomo o particella elementare) possono essere misurati solo con una “sonda” (radiazione elettromagnetica) che abbia caratteristiche (lunghezza d’onda) molto più piccole del sistema in esame.

Gli ingredienti di base per la realizzazione degli acceleratori di particelle sono: Campi Elettrici (E) e Campi Magnetici (B).

I Campi Elettrici E servono ad accelerare questi

Un campo magnetico costante non può compiere un lavoro su una particella carica e quindi non può variare la sua energia.

Un campo magnetico uniforme può essere usato per mantenere una particella carica q in moto su un’orbita circolare.

Campi magnetici ed elettrici hanno le proprietà giusta per determinare la traiettoria di una particella ossia mantenere una particella in moto su un’orbita circolare e per contenere la divergenza angolare delle traiettorie.