Modello standard e oltre...

AREA

DI PR OG E TT O

CHE C CH IN GIA CO MO

FISICA

de lle

PARTICELLE

La Fisica delle Particelle (FdP) s’interessa del

comportamento fisico dei costituenti fondamentali

del mondo, i.e. di oggetti al contempo molto Regole di combinazione dei quarks: solo oggetti

piccoli e molto veloci. Essa è quindi l’arena bianchi, cioè {RVB} oppure {colore – anticolore} in

naturale per l’esibizione simultanea della modo da dare carica elettrica intera (o nulla).

Meccanica Quantistica (piccole dimensioni) e della

Relatività Speciale (alte velocità). →

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

I Costituenti Fondamentali sono suddivisi in base al

loro spin: Fermioni con spin semintero e Bosoni p = {u, u, d} n = {d, d, u}

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 Le tre famiglie di Quark prevedono ciascuna un

infatti un oggetto puntiforme come le particelle in Quark di carica + 2 / 3 e uno di carica − 1 / 3. I

questione non possono ruotare su sé stesse. Lo Quark più leggeri sono up (u) e down (d), che

spin viene invece definito come una quantità combinati secondo lo schema uud formano il

ħ)

determinata che rappresenta (in unità di il protone (di carica + 2 / 3 + 2 / 3 − 1 / 3 = + 1),

momento angolare intrinseco della particella. H mentre combinati secondo lo schema udd

tagliato) è la costante di Dirac corrispondente all formano il neutrone (di carica + 2 / 3 − 1 / 3 − 1 /

quoziente tra la costante di Plank (h) e 2π. 3 = 0).

I Costituenti sono di due tipi: Costituenti Materiali

(Fermioni a spin 1/2 in cui troviamo Leptoni e Le interazioni fondamentali sono 4:

Quarks) e i Mediatori d'interazioni (Bosoni). • Gravitazionale & Elettromagnetica*: familiari

Tutta la materia ordinaria che osserviamo nel nella vita quotidiana (causa il raggio d’azione

mondo macroscopico è costituita da quark e infinito)

leptoni: è infatti costituita da atomi che sono a loro

volta composti da un nucleo e uno o più elettroni, • β

Debole*: responsabile della radioattività

che sono i più leggeri tra i Leptoni carichi. (decadimento del neutrone n→ p + e - + )

ν e

Dove sono il protone, il neutrone, i pioni e le altre

particelle subatomiche? • Forte: inizialmente ritenuta responsabile del

Esperimenti di diffusione di elettroni su protoni e legame nucleare e mediata dal pione. Natura

neutroni mostrano che queste non sono particelle →

composta di p, n, π interpretata come

elementari, ma possiedono componenti interni: residuo dell’interazione di colore tra i quarks

quarks. mediata da gluoni colorati (trasportano colore –

Le caratteristiche essenziali dei quarks sono: →

anticolore 8 combinazioni diverse)

• Carica elettrica frazionaria (in quanto * Sono in realtà manifestazioni di una stessa

appartengono alla categoria dei Fermioni) interazione: Elettrodebole (E.W.)

• →

Carica di colore ciascun colore esiste in tre

versioni: rosso, verde, blu (antiquarks portano

l’anticolore)

= 1, 054 571628 (53) x 10-34 J s

ħ

Come abbiamo accennato prima i ACCELERATORI

costituenti fondamentali sono stati

individuati mediante la diffusione di

elettroni su protoni e neutroni; d i PARTICELLE

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 Un campo magnetico costante non può compiere un

elettromagnetica) che abbia lavoro su una particella carica e quindi non può variare la

caratteristiche (lunghezza d’onda) sua energia.

molto più piccole del sistema in Un campo magnetico uniforme può essere usato per

esame. per mantenere una particella carica q in moto su

Gli ingredienti di base per la un’orbita circolare.

realizzazione degli acceleratori di Campi magnetici ed elettrici hanno le proprietà giusta per

particelle sono: Campi Elettrici (E) e determinare la traiettoria di una particella ossia mantenere

Campi Magnetici (B). una particella in moto su un’orbita circolare e per

I Campi Elettrici E servono ad contenere la divergenza angolare delle traiettorie.

accelerare questi infatti sono in Inoltre l’interazione di queste due forze genera la forza di

grado di compiere un lavoro L su Lorentz che è in grado di aumentare l’energia della

una particella carica e quindi può particelle cariche.

aumentare la sua energia. [Una volta che siamo riusciti ad accelerare due fasci di

L’energia delle particelle accelerate particelle questi vengono fatti collidere l’uno contro l’altro

si misura in electron Volt (eV). in corrispondenza di appositi rilevatori che sono in grado

1 eV è l’energia cinetica acquistata di rilevare tutti gli eventi che avvengono durante l’impatto.]

da un elettrone sottoposto ad una Il principio fisico delle generazione di nuove particelle è

differenza di potenziale di 1 Volt. quello semplice degli urti a elevata energia: facendo

Campi Magnetici costanti e uniformi collidere tra di loro particelle ad alta energia cinetica,

B per trasportare e confinare le ovvero prossime alla velocità della luce c, il prodotto

particelle cariche. (sintesi) è, per l'uguaglianza tra massa ed energia, una

nuova particella a massa/energia superiore che

eventualmente decade in altre particelle figlie. Dall'analisi

LOREM IPSUM AD MINIM VENIAM

di tali decadimenti è possibile risalire alle caratteristiche

della particella madre.

-19 -19

1 eV = 1 V · 1,602 · 10 C = 1,602 · 10 Joule

QUESTIONI APERTE

Modello Standard

Un'ulteriore estensione del Modello standard si

può trovare nella teoria della supersimmetria, che

propone un compagno supersimmetrico

massiccio per ogni particella del Modello standard

convenzionale. La supersimmetria prevede

Anche se il Modello standard ha avuto un grande l'esistenza di particelle stabili pesanti che hanno

successo nello spiegare i risultati sperimentali, interazioni debolissime con la materia ordinaria.

esso non è mai stato accettato come una teoria Queste particelle sono state candidate a spiegare

completa della fisica fondamentale, a causa della la cosiddetta materia oscura dell'universo.

sua incompletezza in particolare nei seguenti punti:

• Perché nell’Universo osserviamo

principalmente materia e pochissima

antimateria?

• Cos’è la “materia oscura” che ha effetti sulla

forma dell’Universo?

• Perché il Modello Standard non predice le

masse delle particelle?

• Quark e Leptoni sono fondamentali o sono fatti

di particelle ancora più piccole?

• Perché ci sono proprio 3 famiglie di fermioni?

• Come s'inserisce la Gravità in tutto questo?

Fin dal completamento del Modello standard sono

stati fatti molti sforzi per superare questi limiti e

trasformarlo in una teoria completa. Un tentativo di

superare il primo difetto è noto come grande

unificazione: le cosiddette GUT.

MATERI

A OSCURA

pr ov e s pe ri me nta li e mod ell i

fuori c’è discrepanza con i dati

Per materia oscura possiamo intendere come sperimentali: vediamo una curva piatta.

qualcosa che non riusciamo a osservare con gli Interpretando questi dati ci deve essere

strumenti a disposizione. una massa che non siamo in grado di

Nel corso degli anni erano state ipotizzate più osservare e proprio questa è la materia

volte particelle che per ragioni fisiche e oscura.

quantistiche dovevano esistere. La materia oscura possiamo pensarla

Degli esempi sono il neutrone che fu teorizzato come un’alone attorno alla galassia di

da Ambartsumian & Ivenko nel 1930 e ne fu materia ordinaria (barionica). L’alone è ben

verificato. Oppure il Neutrino che fu teorizzato da più esteso della materia ordinaria, è sferico

Pauli nel 1930 e osservato per la prima volta e non a disco.

sono nel 1956 da Cowan & Reines. Un’altra prova dell’esistenza della materia

La Materia Oscura fu invece teorizzata nel 1933 oscura ci viene data dalla teoria di Einstein

da F. Zwicky, furono poi escluse tutte le particelle della relatività generale dalla quale

note nel 1983 la sua esistenza viene dimostrata sappiamo due concetti fondamentali:

dal 2010 con varie prove che portano a pensare • La densità di materia-energia presente in

che questa materia oscura esista veramente. un punto deforma localmente lo spazio-

Il dottor Zwicky nel 1933 osservando le curve di tempo

rotazione del cluster Coma (1000 galassie, 100

Mpc distanza) notò una discrepanza rispetto alla • La luce viaggia in linea retta, ma in uno

teoria così pensò che ci fosse del “dunkle spazio curvo (geodesica dello spazio)

materie” (Materia oscura) che provocasse questo È possibile perciò vedere dalla Terra oggetti

fenomeno. luminosi che sono posti dietro a oggetti molto

L’idea di Zwicki era troppo avanzata e nessuno pesanti, (per esempio galassie)

aveva il coraggio di studiarla seriamente...per 40 Dal 1985 il telescopio spaziale Hubble compie

anni. numerose di queste osservazioni e dalla

Negli anni ’70 infatti si cominciarono a costruire curvaturo della luce proveniente da sorgenti

telescopi ottici più avanzati e si cominciarono a posteriori si deduce la massa dell’oggetto

vedere bene non solo gli ammassi di galassie, frontale.

ma ora i movimenti delle stelle all’interno di una

singola galassia. Nel cielo può succedere che due galassie si

Nel 1979 viene effettuato il primo studio su varie scontrino, in questi casi non abbiamo una

galassie a spirale e vennero confermate le esplosione cosmica poiché la densità di stelle

osservazioni di Zwicky. di una galassia è così bassa che le due

galassie si attraversano senza smembrarsi.

Analizzando in dettaglio la curva di rotazione Nella galassia, oltre alle stelle, c’è del materiale

possiamo osservare che fino a dove si estende interstellare (polvere, gas) che emette

la parte visibile della galassia i dati raccolti

rispondono al modello matematico creato; al di MODELLI

m at er i a o s cu r a

Per costruire dei modelli della materia oscura non

abbiamo grossi indizi: abbiamo prove che si tratta

di una particella dotata di massa, non interagisce

elettromagneticamente e non sappiamo

esattamente quanta ce n’è.

Possiamo quindi escludere tutte le particelle che

conosciamo:

soprattutto raggi X. • Barioni (p,n)? No, ci sono dei limiti nel numero

Quando due galassie si attraversano questo materiale di barioni dalla teoria della nucleosintesi.

fa frizione e si ha come abbiamo visto un’emissione più

alta di radiazioni. • Leptoni carichi? No, il muone e tau sono

instabili e decadono in elettrone. L’elettrone è

In tutto questo processo, che ricordiamo dura miliardi troppo leggero ed ha interazione

di anni, la materia oscura non crea nessuna interazione elettromagnetica.

ma semplicemente va a sommarsi alla materia oscura

dell’altra galassia. • Leptoni neutri: neutrini? No, hanno una massa

troppo piccola per spiegare tutta la materia

Conclusioni: oscura nell’Universo.

Materia oscura spiega: Non rimane nulla di quello che conosciamo perciò

dobbiamo passare ad una nuova fisica.

• Osservazioni sul fondo a radiazione microonde Inventare una nuova fisica significa ipotizzare

• Lensing gravitazionale completamente una nuova particella, che poi

dovrò testare contro tutte le prove sperimentali

• Curve rotazione di galassie e ammassi di galassie che ho a disposizione.

Sembra quindi spiegare tutto in maniera semplice ma Il problema della materia oscura è che

ci sono dei problemi: sopravvivono tante teorie possibili e le misure

sperimentali non sono mai infinitamente precise

• Bisogna inventarsi una fisica nuova al di là del perché a volte si basano solo su ipotesi.

Modello Standard (rischio!) Come candidati abbiamo una lunga serie di nomi

• L’Universo è uno. che rappresentano le teorie più svariate: la più

accreditata è quella del neutralino, ma ne esistono

Essendo la fisica una scienza sperimentale una teoria a centinaia con i nomi più svariati (e.g. Piccolo

non è valida fino a che non si hanno delle prove higgs, Settore oscuro, Nuetrino sterile ecc.).

sperimentali, anzi una teoria è valida fino a che non è

confutata da esperimenti. Come abbiamo visto il Modello Standard funziona