Post on 01-May-2015
Masterclass 2011Masterclass 2011
Introduzione al corsoIntroduzione al corso
Danilo DomeniciDanilo Domenici
Laboratori Nazionali di Frascati INFNLaboratori Nazionali di Frascati INFN
La fisica delle particelle è la branca della fisica che studia i costituenti fondamentali
e le interazioni fondamentali della materia.
Talvolta viene anche usata l’espressione fisica delle alte energie, quando si vuole
far riferimento allo studio delle interazioni tra particelle elementari che si verificano ad altissima energia che permettono di
creare particelle non presenti in natura in condizioni ordinarie, come avviene negli
acceleratori di particelle.
Fisica delle ParticelleFisica delle Particelle
Wikipedia
E’ possibile ricondurre l’intera realtà conosciuta ad un piccolo numero di componenti fondamentali interagenti
tra loro attraverso poche leggi note?
Ma che significa “fondamentale”?Ma che significa “fondamentale”?
Per Aristotele e i greci antichi fondamentali erano i 4 elementi: Aria,
Terra, Acqua e Fuoco
fondamentale = a fondamento della
natura
fondamentale = indivisibile, non costituito da niente di più piccolo
ατομοςDemocrito nel 400 a.C.
ipotizza che tutta la materia sia costituita da particelle
fondamentali
I 92 atomi conosciuti sono classificati in base al Numero atomico (Z) La regolarità delle loro proprietà chimiche indica che devono essere costituiti da qualcosa di più
piccolo (carica elettrica)
Mendeleev nel 1869 introduce in Chimica la Tavola Periodica degli
Elementi
Gli atomi sono costituiti da:
• Un nucleo elettricamente positivo, con una carica uguale al suo Numero atomico
• Una nube elettronica elettricamente negativo che bilancia la carica nucleare e rende l’atomo elettricamente neutro
Rutherford, 1905: Modello planetario dell’atomo
Gli orbitali esterni determinano il legame
chimico. Atomi con orbitali esterni simili occupano posizioni simili nella tavola
periodica
Esperimento di Rutherford
Esperimento di Rutherford
Il nucleo era piccolo, solido e denso: sembrava veramente
fondamentale.
Solo nel 1932 si capì che era invece costituito da protoni e
neutroniJ. Chadwick
Oggi sappiamo che neanche
protoni e neutroni sono
fondamentali, ma costituiti da
quark
Gell-Mann, 1963. I QuarkGell-Mann, 1963. I Quark
In un protone ci sono 3 quark:
2 di tipo UP, 1 di tipo DOWN
Oggi, dopo anni di test sperimentali,
siamo convinti che i quark siano
finalmente particelle fondamentali
indivisibili
u
ud
Tutte le particelle note (sono
centinaia!) si ottengono da
combinazioni di quark
6 Quark6 Quark
6 Quark6 Quark
La figura non è in scala: se facessimo i protoni e i neutroni di 1cm tutto l’atomo sarebbe largo quanto 30 campi di calcio! L’atomo è vuoto!!!
La struttura dell’atomoLa struttura dell’atomo
Che cosa tiene insieme queste particelle?
Che cosa tiene insieme queste particelle?
L’universo esiste perché le particelle elementari
interagiscono. Queste interazioni includono l’attrazione, la repulsione, il
decadimento e l’annichilazione
Ci sono 4 interazioni fondamentali tra le particelle,
e tutte le forze nell’universo sono causate da queste 4
interazioni!
• Forza Elettromagnetica: tiene insieme gli atomi
• Forza Forte: tiene insieme i nuclei
• Forza Debole: fa trasformare i nuclei
• Forza Gravitazionale: tiene insieme le galassie
I fisici hanno sviluppato una teoria che spiega di cosa è fatto il mondo e che cosa lo tiene insieme. E’ una teoria semplice che spiega centinaia di particelle e complesse interazioni con solo:• 6 quark (u,d,s,c,b,t)• 6 leptoni (e,µ,τ,νe,νµ,ντ)• 3 interazioni (forte, elettromanetica e debole)
In realtà le cose sono un po’ più complicate...• c’è anche l’anti-materia: 6 anti-quark e 6 anti-leptoni• le interazioni si riducono a 2: forte (o adronica) e elettro-debole• le forze sono veicolate da 4 particelle, dette bosoni: gluone (forza forte), fotone, W, Z (per la forza elettro-debole)
Il MS è una buona teoria. E’ stato confermato sperimentalmente con grandissima precisione e (quasi) tutte le particelle predette
sono state trovate. Ma non spiega la Gravità
Il Modello StandardIl Modello Standard
HHiggs boson
??
P. Higgs
u c t
d s b
e
e
g
W Z
H
MATERIA FORZE
Quark
Leptoni
Bosoni di Gauge
Bosone di Higgs ?
Il Modello Standard delle Particelle e delle
Interazioni
Per ogni particella esiste anche la corrispondente particella di antimateria.
L’antiparticella è uguale alla particella con carica di segno opposto.
L’antimateria viene creata comunemente negli acceleratori di particelle. Però l’Universo osservato è interamente
composto di materia.
AntimateriaAntimateria
P. Dirac 1920 C.
Anderson 1964
Fisica ClassicaFisica
Classica
Meccanica QuantisticaMeccanica Quantistica
Relatività SpecialeRelatività Speciale
Piccole dimensioni
Grandi velocita’F = ma
E = mc2
λ = h/p
2 nuove teorie sviluppate all’inizio del ‘900
2 nuove teorie sviluppate all’inizio del ‘900
Meccanica Classica
Meccanica ClassicaF = ma
2 nuove teorie sviluppate all’inizio del ‘900
2 nuove teorie sviluppate all’inizio del ‘900I. Newton
Meccanica QuantisticaMeccanica Quantisticaλ = h/p
Relatività SpecialeRelatività Speciale
E = mc2
• dualità onda-parrticella• natura probabilistica della realtà
• abbandono del tempo assoluto• equivalenza massa-energia
• Perché nell’Universo osserviamo principalmente materia e pochissima antimateria?
• Cosa 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 si inserisce la Gravità in tutto questo?
Questioni aperte del Modello Standard
Questioni aperte del Modello Standard
Struttura del corsoStruttura del corso
• Un excursus teorico sulla moderna fisica delle particelle e sui suoi problemi ancora irrisolti (G. Isidori)
• Cenni sugli acceleratori di particelle (C. Milardi)
• Cenni sui rivelatori di particelle (D. Domenici)
• Un esempio interattivo di analisi dei dati di un moderno rivelatore (P. Di Nezza, M. Dreucci)
• Un seminario sul più grande acceleratore del mondo: LHC al CERN (P. Campana)
Il corso comprende:
BUON PROSEGUIMENTO !BUON PROSEGUIMENTO !