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La storia La storia della della

fisica delle particellefisica delle particelle

M. Cobal, Dipartimento di FisicaUniversita’ di Udine

IntroduzioneIntroduzione

Come funziona l’Universo?

Da dove viene?

Dove va?

Quali sono i componenti ultimi della materia?

Come “si muovono”?

Che cosa “li muove”?

La Fisica delle particelle affronta le domande fondamentali della storia del pensiero:

IntroduzioneIntroduzione

La Fisica delle Particelle non e’ solo una classificazione “zoologica” delle particelle esistenti in Natura, bensi’ aspira a comprendere il motivo della loro esistenza e le regole che le governano

•Molti altri rami della Fisica sono quindi riconducibili ad essa:

– La comprensione del Big Bang passa attraverso la comprensione della gravita’ quantistica ossia la spiegazione del comportamento della Natura quando i campi gravitazionali hanno intensita’ confrontabili alle forze nucleari

– La comprensione della struttura a larga scala dell’Universo (Inflazione, Costante Cosmologica) andra’ ricercata nella teoria finale unificata e nello spettro di particelle che la compongono

1020

1010

10-10

10-20

1

Dim

en

sion

i (c

m)

~(c

m)

CosmologiaAstronomiaAstrofisica

Geofisica

Biologia, fisica dei fluidi, Solidi, gas

Antropologia, Psicologia

ChimicaFisica molecolare e atomica

Fisica nucleareFisica delle particelle elementari

Un confronto dimensionaleUn confronto dimensionale

Di cosa e’ fatto il mondo?Di cosa e’ fatto il mondo?

L'uomo è giunto a capire che la materia è in realtà un agglomerato di pochi elementi fondamentali, che costituiscono tutto il mondo della natura. La parola "fondamentale" è una parola chiave:

Per elementi fondamentali intendiamo oggetti che sono semplici e privi di struttura interna (cioe’ non composti da qualcosa di più piccolo)

•Domande: –Esistono mattoni fondamentali? –Quali sono I mattoni fondamentali?–Come interagiscono? –Come determinano le proprieta’ dell’Universo?

La Rivoluzione GrecaLa Rivoluzione GrecaCirca 2500 anni fa i filosofi greci cominciarono a chiedersi: “di cosa e’ fatto il mondo?” e a cercare riposte usando la logica anziche’ la religione

Talete di Mileto (600 AC): acqua… Anassimene: aria… Pitagora: numeri… Eraclito: fuoco… Empedocle:

Quattro elementi: Acqua, aria, terra, fuoco Uniti o separati da forze “morali” (amore e odio)…

Democrito (~400 AC): Tutto costituito da particelle invisibili e indivisibili:

atomi Peso e forma diversa, combinati formano nuove

sostanze

• Alchimia Chimica (1780 1870)– Classificazione degli atomi in base alle proprieta’

chimiche– Evidenza di una “periodicita’” (Mendeleyev)Indicazioni di una struttura comune degli elementi

La TavolaPeriodica

L’atomo e’ fondamentale?L’atomo e’ fondamentale?

ESPERIMENTO

L’atomo e’ fondamentale?L’atomo e’ fondamentale?

Ricorriamo all’esperimento:

si guarda dentro l'atomo, usando particelle come sonde

L'atomo ha una struttura interna, e non e’ una semplice “pallina” permeabile

DOMANDE

TEORIA

?

Stato della Fisica intorno al Stato della Fisica intorno al 18951895

Meccanica Statistica (c 1860)3 leggi della termodinamicaTeoria Cinetica

Elettricita’ e MagnetismoEquazioni di Maxwell (c1880)• Legge di Gauss• Legge di Faraday• Legge di Ampere• No monopoli magnetici

Meccanica (Gravita’)Leggi di Newton (c 1640)1. Legge di Inerzia2. F=m a3. Reazioni uguali ed opposte

Leggi di Conservazione• Energia• Impulso• Momento Angolare

Stato della Fisica intorno al Stato della Fisica intorno al 18951895

Lord Kelvin— un’autorita’ del suo tempo Si oppone fortemente alla teoria atomica “There is nothing new to be discovered in physics now. All that remains is more and more precise measurement."

Albert A Michelson— il primo premio Nobel americano“The grand underlying principles have been firmly established...further truths of physics are to be looked for in the sixth place of decimals" (Science, 1892)

1873 Teoria elettromagnetica di Maxwell

1874 George Stoney sviluppa la teoria dell’ elettrone e ne ipotizza la massa.

1895 Röntgen scopre I raggi X.

1898 Marie e Pierre Curie separano gli elementi radioattivi, Thompson misura l’ elettrone e sviluppa il suo modello atomico

1900 Planck suggerisce che la radiazione sia quantizzata

1905 Einstein descrive il fotone come quanto di luce, che si comporta come una particella. Propone inoltre l’ equivalenza tra massa ed energia, la dualita’ onda-particella, la relativita’ speciale

1911 Rutherford capisce che l’atomo ha un nucleo interno

1913 Bohr costrusce una teoria atomica basata sulla quantistica.

1919 Rutherford fornisce la prima evidenza dell’esistenza del protone

I 30 anni che sconvolsero la I 30 anni che sconvolsero la fisica!fisica!

Rutherford (~1910) – classico esperimento bombardamento di particelle su bersaglio (foglio d’oro)

Esperimento di Geiger & Marsden

!

Come si guarda dentro la Come si guarda dentro la materia?materia?

Conclusione

L’atomo contiene un nucleo di carica positiva di dimensione

<10 fm [1 fm = 10-13 cm]

0.000,000,000,000,1 cm

Angle

Modello atomico di RutherfordModello atomico di Rutherford

Nuovo Modello atomico

1921 Chadwick e Bieler concludono che una qualche forza forte tiene insieme il nucleo

1923 Compton scopre la natura particellare dei raggi X

1924 de Broglie propone che la materia abbia caratteristiche di onda

1925 Pauli formula il principio di esclusione per elettroni atomici. Bothe and Geiger dimostrano che massa ed energia si conservano nei processi atomici

1926 Schroedinger sviluppa la meccanica ondulatoria. Born da’ una interpretazione probabilistica della quanto-meccanica .

1927 Si osserva che alcuni materiali emettono elettroni (decadimento beta). Atomo e nucleo hanno livelli di energia discreti: come possono emettere elettroni con uno spettro di energia continuo?

Heisenberg formula il principio di indeterminazione.

1928 Dirac combina la meccanica quantistica e la relativita’ speciale per descrivere l’ elettrone.

Cosa succede negli anni ’20?Cosa succede negli anni ’20?

1930 Pauli parla del neutrino per spiegare lo spettro dell’ e nel decadimento

1931 Dirac capisce che le particelle a carica positiva richieste dalla sua equazione sono oggetti nuovi (“positroni”). Si parla di anti-materia! Chadwick scopre il neutrone. Si indaga su legami nucleari e decadimenti

1933-4 Anderson scopre il positrone. Fermi elabora una teoria per il decadimento : introduce la forza debole. Yukawa descrive le interazioni nucleari come lo scambio di nuove particelle (I “pioni”) tra protoni e neutroni interactions by an exchange of new particles (mesons called "pions"). Questa teoria adesso e’ sorpassata

1937 Studiando I raggi cosmici, viene scoperta una particella di massa 200 volte la massa dell’e. All’inizio si pensa che sia la particella di Yukawa. Si capisce poi che invece e’ il muone.

1938 Stuckelberg osserva che protone e neutrone non decadono in elettroni, neutrini o muoni. La stabilita’ del protone non si puo’ spiegare in termini di conservazione dell’energia e della carica.

Cosa succede negli anni ’30?Cosa succede negli anni ’30?

Il nucleo e’ fondamentale?Il nucleo e’ fondamentale?

Il nucleo e’ composto di protoni(carica elettrica positiva) e di neutroni (privi di carica elettrica)

• Anche i protoni e i neutroni hanno una struttura: sono

composti da particelle fondamentali chiamate quark.Ma per vedere questo ci vorra’ ancora un po’ di tempo…

Una sorgente naturale di Una sorgente naturale di particelle particelle

I fisici delle particelle scoprirono ben presto che in natura vi era una copiosa sorgente di particelle di alta energia: i raggi cosmici

Soprattutto Muoni

Collisione con le molecole d’aria

Protoni dallo spazio

I raggi cosmici sono particelle cariche di alta energia, soprattutto protoni, che provengono dallo spazio e arrivano fino alla superficie atmosferica della terra. Collisioni fra raggi cosmici e molecole di aria avvengono continuamente…

1941 Moller e Pais introducono il termine "nucleone" come termine generico per protoni e neutroni.

1946-47 Si capisce che la particella trovata nei raggi cosmici e creduta il mesone di Yukawa e’ in realta’ un "muone“, la prima particella della seconda generazione delle particelle fondamentali che costituiscono la materia.

Il commento di Rabi: "who ordered that?" Si introduce il termine leptone per indicare oggetti che non interagiscono in modo forte (elettroni e muoni sono leptoni)

1947 Si trova un mesone coinvolto in interazioni forti nei raggi cosmici: e’ il pione. Si sviluppano delle procedure per calcolare le proprieta’ elettromagnetiche di elettroni, positroni e fotoni. Introduzione dei diagrami di Feynman.

1948 Il Sincro-ciclotrone di Berkeley produce il primo pione

1949 Fermi e Yang suggeriscono che il pione sia composto da un nucleone ed un anti-nucleone. Viene scoperta la K+.

Cosa succede negli anni ’40?Cosa succede negli anni ’40?

L’ “esplosione” delle particelleL’ “esplosione” delle particelle

Lo studio delle interazioni dei raggi cosmici porto’ alla scoperta di un grande numero di nuove particelle:

1931 - Il positrone (e+) 1936 - il muone (m) 1947 - Pioni, kaoni, iperoni

Nello stesso tempo Ernest Lawrence imparava a costruire acceleratori di particelle in laboratorio…

Ottenendo intensita’ molto piu’ grandi che nei raggi cosmici!

1950 Viene scoperto il pione neutro (0).

1951 Si scoprono le particelle strane 0 e K0.

1952 Viene scoperta la particella Delta: ne esistono 4 tipi diversi (++, +, 0, and -). Glaser inventa la camera a bolle (ispirato dalla birra..) Il cosmotrone di Brookhaven, a 1.3 GeV, comincia a funzionare.

1953 Comincia l’era della “esplosione delle particelle”

1953-7 Sparando elettroni contro nuclei, si “vede” una distribuzione di densita’ di carica nel protone e nel neutrone. Questo suggerisce la presenza di una qualche struttura interna,

1954 Yang e Mills sviluppano una nuova classe di teorie chiamate “teorie di gauge “. Questo tipo di teorie sono alla base del Modello Standard.

1955 Chamberlain e Segre scoprono l’anti-protone.

1957 Schwinger propone l’unificazione della forza debole ed elettromagnetica.

1957-9 Schwinger, Bludman, e Glashow, suggeriscono che tutte le interazioni sono mediate da bosoni carichi pesanti. Yukawa fu il primo – 20 anni prima – a parlare di scambio di bosoni, ma propose il pione come mediatore della forza debole..

Cosa succede negli anni ’50?Cosa succede negli anni ’50?

Dov’e’ l’ordine?Dov’e’ l’ordine?

K 0

K-K0

K+

e

p

n

e

Con i nuovi acceleratori di particelle e nuovi rivelatori (camera a bolle)a disposizione i fisici delle particelle negli anni 1950s si divertirono un mondo…

Particelle ed AntiparticelleParticelle ed Antiparticelle

Particelleprotone pneutrone n

elettrone e -

neutrino elettronico e

muone negativo -

neutrino muonico

pione negativo -

pione neutro 0

fotone

Antiparticelleantiprotone antineutrone positrone e +

antineutrino elettronicomuone positivo +

antineutrino muonicopione positivo +

pione neutro 0

fotone

p

n

e

Plate of steel

B

positron

Stessa massa, e vita media,carica e momento magnetico opposti

MassaCaricaVita mediaSpin

E molte piu’….

All’ inizio erano poche…All’ inizio erano poche…

Servono energie sempre Servono energie sempre maggiori…maggiori…

Per testare le nuove teorie i fisici delle particelle hanno bisogno di alte energieCOLLISIONI FRA FASCI DI PARTICELLE!

TARGHETTA FISSA

Energia a disposizione per produrre nuove particelle:~ Ebeam

COLLISIONI FASCIO-FASCIO

Energia a disposizione per produrre nuove particelle ~Ebeam

Un moderno accelleratoreUn moderno accelleratore

In queste macchine, fascidi particelle sono accellerati

quasi alla velocita’ della luce e fatti collidere in punti

scelti della loro orbita

AccelleratoriAccelleratori

1983: CERN pp colliderE = 540 GeV W+- (80 GeV), Z0 (91 GeV)

1995: Fermilab Tevatron pp colliderE=1.8 TeV top quark (175 GeV)

¼ 2008: CERN LHC pp colliderE=14 TeV discover Higgs?

????: Linear e+e- ColliderE=1-2 TeV study Higgs in detail

1961 Il numero delle particelle aumenta! Uno schema matematico di classificazione (il gruppo SU(3)) guida i fisici a riconoscere “percorsi” in particelle diverse.

1962 Si verifica sperimentalmente che ci sono due diversi tipi di neutrino (elettronico e muonico), come predetto teoricamente (Lederman, Schwartz, Steinberger).

1964 Gell-Mann e Zweig introducono l’idea dei quark. Glashow e Bjorken inventano il termine "charm" per il quarto (c)

quark. Osservazione della violazione di CP nel decadimento dei Kaoni

(Cronin e Fitch)

1965 Greenberg, Han, e Nambu introducono la proprieta’ “carica di colore” dei quark

.1967 Weinberg e Salam separatamente propongono una teoria che

unifica le interazioni elettromagnetiche e deboli nelle interazioni elettrodeboli. La loro teoria richiede l’esistenza di un bosone neutro che interagisce debolmente: lo Z0.

1968-9 Bjorken e Feynman analizzano i dati di scattering di elettroni usando un modello che prevede componenti per il protone. Usano la parola “partone” invece di quark.

Cosa succede negli anni ’60?Cosa succede negli anni ’60?

““The 8-fold way”The 8-fold way”

K0

-

K+

+0

K- K0

sd

ud

su

du

ds us

uu,dd,ss

0

-

+

+0

- 0

uss

uus

dss

dds

udd uud

uds

-

ddd++

uuu

-

sss

n p

mesoniqq

barioni qqq

Nel 1961 Gell-Mann & Ne’eman ebbero per la fisica delle particelle lo stesso ruolo di Mendeleev 100 anni prima con gli atomi

“fondamentali”

QuarksQuarks

Si capisce che anche protoni e neutroni non sono unita’ fondamentali

Sono composti da particelle piu’ piccole dette quarks

Per il momento questi quarks sembrano essere puntiformi

Negli anni 1960 > 50 particelle elementari Tavola periodica! Si introducono 3 quark per spiegare la periodicita’Ma i quark non erano considerati particelle reali!!

L’ atomo modernoL’ atomo moderno

Una nuvola di elettroni in moto costante intorno al nucleo

Protoni e neutroni in moto nel nucleo

Quarks in moto nei protoni e nei neutroni

Dimensioni (sub)-atomicheDimensioni (sub)-atomiche

Il nucleo e’ 10,000 volte piu’ piccolo dell’atomo

Il protone ed il neutrone sono 10 volte piu’ piccoli del nucleo

Non ci sono evidenze che i quarks abbiano dimensione

OrdineOrdineCostituenti Costituenti fondamentalifondamentali

Proprio come l’ordine della tavola periodica era dovuto ai tre componenti fondamentali, cosi’ Gell-Mann e Zweig proposero che tutti gli “adroni” fossero costituiti da tre oggetti che vennero chiamati “quarks”

I quark hanno cariche elettriche pari a 2/3, -1/3. -1/3 della carica dell’elettrone

p uudn udd+ ud0 uu- du

uuu uud udd ddd sss

K+ usK0 dsK- suK0 sd

1970 Glashow, Iliopoulos, e Maiani (GIM) capiscono l’ importanza di un quarto tipo di quark nel contesto del Modello Standard.

1973 Prime indicazioni dell’ esistenza di correnti deboli neutre (per scambio di Z0) Viene formulata una teoria quantistica di campo per le interazioni forti (QCD) Politzer, Gross, e Wilczek scoprono che la teoria di colore delle interazioni forti ha una proprieta’ speciale, detta “liberta’ asintotica”.

1974 Richter e Ting, leading independent experiments, announce on the same day that they discovered the same new particle J/Y, bound state of charm anti-charm).

1976 Goldhaber e Pierre trovano il mesone D0 (quark anti-up e charm). Il leptone tau viene scoperto da Perl e collaboratori a SLAC.

1977 Lederman ed i suoi collaboratori scoprono il quark-b a Fermilab.

1978 Prescott e Taylor osservano interazioni deboli mediate dallo Z0 nello scattering di elettroni polarizzati da deuterio: il principio di conservazione della parita’ viene violato, come predetto dal Modello Standard.

1979 Vengono identificato gluoni irraggiati da quark o antiquark allo stato iniziale

Cosa succede negli anni ’70?Cosa succede negli anni ’70?

Una nuova teoriaUna nuova teoria

I fisici hanno elaborato una teoria, chiamata Modello Standard che vuole descrivere:

tutta la materiatutte le forze dell'universo (escludendo per ora la gravità)

La sua bellezza sta nella capacità di spiegare centinaia di particelle e interazioni complesse con poche particelle e interazioni fondamentali

Il Modello StandardIl Modello Standard

Nel Modello Standard esistono due generi di particelle:

Particelle materiali: il Modello Standard sostiene che la maggior parte delle particelle materiali finora conosciute è composta di particelle più fondamentali (quark). C'è anche un'altra classe di particelle materiali fondamentali, i leptoni (un esempio è l'elettrone).

Particelle mediatrici di forza: Ogni tipo di interazione fondamentale agisce "mediante" una particella mediatrice di forza (un esempio è il fotone).

Fermioni: i componenti Fermioni: i componenti fondamentalifondamentali

Quarks

Leptoni

2/3

-1/3

0

-1

1a generazione 2a generazione

Le particelle elementari: i fermioni

3a generazione

2/3

-1/3

0

-1

Perche’ 3 famiglie?

Ve ne sono di piu’?

Massa (MeV) Carica (e)

Unita’ usate nella fisica delle Unita’ usate nella fisica delle paparticellerticelle

Energia: electron-volt: 1 eV = 1.6x10-19 J

Energia che l’elettrone guadagna attraversando una ddp di 1 Volt

E = mc2, si pone c=1! Unita’ naturali

Massa: electron-volt

proton mass mp = 938.27 MeV

Momento: electron-volt

I leptoniI leptoniI leptoni sono sei:

tre hanno carica elettrica (negativa)tre non hanno carica elettrica

Il leptone carico più conosciuto è l'elettrone (e). Gli altri due leptoni carichi sono il muone (µ) e il tau ()

Muone e tau sono repliche dell’elettrone con massa piu’ grande

I leptoni neutri si chiamano neutrini:

c’e’ un neutrino corrispondente a ogni leptone caricohanno massa molto piccola (ma non nulla)

I quarksI quarks

Ci sono 5 ordini di grandezza fra la massa del quark piu’ leggero (up) e quello piu’ pesante(top)!

La miglior misura della massa oggi:M(top)=178 GeV con un errore di 4.3

AdroniAdroni

I singoli quarks: hanno cariche elettriche frazionarie non sono mai stati osservati direttamente

Si riuniscono in gruppi in particelle dette “adroni”:

Le combinazioni dei quark possibili sono tali che la somma totale delle cariche elettriche sia un numero intero: due (qq=mesoni) o tre (qqq=barioni)

Ma c’e’ molto di piu’…per capirlo bisogna introdurre le interazioni fra i quark

Le forzeLe forze

L'universo che conosciamo esiste perché le particelle fondamentali interagiscono:

decadonosi annichilanoreagiscono a forze legate alla presenza di altre particelle (per esempio nelle collisioni).

Ci sono quattro interazioni(forze) tra le particelle:

Gravita’ElettroMagneticaForteDebole

Come interagiscono le Come interagiscono le particelle?particelle?

Le particelle si attraggono o si respingono mediante particelle “messaggeri” (quanti del campo)Quelle che noi chiamiamo comunemente "forze" sono gli effetti dei mediatori di forza sulle particelle materiali.

ee

Diagramma di Feynman

ee

Che cosa tiene il mondo Che cosa tiene il mondo insieme?insieme?

Forze

Agiscono tra

Forza relativa

quanto

Forte

quarks

10

g

elettro-magnetic

a

Particelle cariche

10-2

debole

Tutte le particelle

10-13

W+- Z0

Gravita’

Tutte le particelle

10-42

G

spin = 1 (bosoni))

Gravita’Gravita’

La forza gravitazionale è probabilmente la forza che ci è La forza gravitazionale è probabilmente la forza che ci è più familiare:più familiare:

non è compresa nel Modello Standard perché i suoi effetti sono piccolissimi nei processi tra le particelle

•Anche se la gravità agisce su ogni cosa,è una forza molto debole qualora le masse in gioco siano piccole•La particella mediatrice di forza per la gravità si chiama gravitone: la sua esistenza e’ prevista ma non e’ ancora stata osservata

ElettromagneticaElettromagnetica

Molte delle forze che sperimentiamo ogni giorno sono dovute alle interazioni elettromagnetiche nella materia: tengono assieme gli atomi e i materiali solidi

la carica elettrica (positiva/negativa) e il magnetismo (nord/sud) sono diverse facce di una stessa interazione, l'elettromagnetismo. cariche opposte, per esempio un protone e un elettrone, si attirano, mentre particelle con la stessa carica si respingono.

• La particella mediatrice dell'interazione elettromagnetica si chiama fotone.

–In base alla loro energia, i fotoni sono distinti come: raggi gamma, luce (visibile), microonde, onde radio, etc.

Interazione ForteInterazione Forte

Alcune particelle (i quark e i gluoni) hanno una carica di un nuovo tipo: è stata chiamata carica di colore.

Ogni quark puo’ avere uno dei tre colori: rosso, blu o verde

Tra particelle dotate di carica di colore l'interazione è molto forte, tanto da meritarsi il nome di interazione forte.

La sua particella mediatrice è stata chiamata gluone: perche’ “incolla” i quark fra di loro

Perche’ la repulsione elettromagnetica fra i protoni del nucleo non fa esplodere l’atomo?

Il Modello a quarkIl Modello a quark

1964 Gell-Mann, ZweigCi sono 3 quarks e 3 antiquarks

Ogni quark puo’ portare uno di 3 coloriGli anti-quark portano un anti-colore

Quark Up Down Strange

Charge +2/3 -1/3 -1/3

Il “confinamento” dei quarkIl “confinamento” dei quarkLe particelle con carica di colore (come I quark) non si possono trovare isolate ma solo in gruppi di colore “neutro” (adroni)

Questo spiega perche’ sono possibili solo combinazioni di due (“mesoni”) o tre (“barioni”) quark: sono le uniche neutre di colore.

La carica di colore si conserva sempre. quando un quark emette o assorbe un gluone, il colore del quark deve cambiare, per conservare la carica di colore

Per esempio, consideriamo un quark rosso che diventa un quark blu ed emette un gluone rosso/anti-blu: il colore "netto" è sempre rosso.

Il blu e l’anti-blu si annullano rimane il rosso

Mai quark liberi!!!Mai quark liberi!!!

La forza di colore diminuisce a piccole distanze e cresce al crescere delle distanzeCosa succede se si cerca di “spezzare” un adrone?

Se uno dei quark di un adrone viene allontanato dai suoi compagni, il campo di forza di colore "si allunga" per mantenere il legame. In questa maniera cresce l'energia del campo di forza di colore, e cresce quanto più vengono allontanati i quark tra loro.

Energia del campo di colore cresce…

E=mc2 sufficiente per creare un’altra coppia quark-antiquark

Dove sono i quarks?Dove sono i quarks?

Questa descrizione e’ molto interessante, ma i quark per ora sono entita’ matematiche…

L’esperimento confermera’ la loro esistenza!!!

Proviamo a ripetere l’esperimento di Rutherford ad energie MOLTO piu’ alte…

Protons

electrons

Si dimostra che il protone e’ costituito da altri oggetti piu’ fondamentali!

Negli anni ‘70, nelle collisioni elettrone-positrone ad alta energia, si osservano dei “getti” di energia, associabili alla presenza di gluoni dovuti alla forza nucleare forte che si origina dalle interazioni tra quark. E’ la manifestazione piu’ spettacolare del “confinamento”

I gluoni e i quark si materializzano in “getti”(ing: jet) di particelle

Come si “vedono” i quarkCome si “vedono” i quark

Interazione DeboleInterazione Debole

L’interazione debole e’ responsabile del fatto che tutti i quark o leptoni decadono in particelle di massa minoreI mediatori dell’interazione debole sono le particelle: W+, W- e Z0

ElettromagneticaElectrodebole

ud

cs

tb

Quarks

Leptons e

e-

W W W

W W W

ElettricaMagneticaDeboleForte

Nel Modello Standard l’interazione Debole e’ unificata con quellaElettromagnetica: a piccole distanze stessaintensita’

Cambiamenti di tipo (detto “sapore”) governati dall’interazione debole

Test della Teoria ElettroDeboleTest della Teoria ElettroDebole

Con l’introduzione della teoria elettrodebole furono necessarie tre nuove particelle: i mediatori dell’interazione W+, W- and Z0. Le loro masse erano previste dalla teoria stessa:

MWc2 80 GeV

MZc2 90 GeV

La W e la Z hanno una vita media brevissima, ma possono essereidentificate tramite i loro prodotti di decadimento, anche essi predettidalla teoria elettrodebole:

W

ee

udcstb(?)

Ze+e-

qq

Circa la massa del Bromo (z=35) o dello Zirconio (z=40)!!!…Pesantucce per essere “elementari”…

Scoperte nel 1983! ..e con la corretta massa

1983 Scoperta del W± e dello Z0 al sincrotrone del CERN synchrotron usando la tecnica sviluppata da Rubbia e Van der Meer per far collidere protoni ed antiprotoni.

1989 Gli esperimenti portati avanti a SLAC e al CERN suggeriscono fortemente che vi siano 3 e solo 3 generazioni di particelle fondamentali

1995 A Fermilab l’esperimento CDF vede per la prima volta il quark top.

1998 L’esperimento SuperK identifica oscillazioni di neutrino (I

neutrini hanno massa!)

2000-1 Viene osservata la violazione di CP usando B-mesons dagli esperimenti BABAR, BELLE

2002 “Risolto” il problema dei neutrini Solari.

Storia anni ’80 – 2002..Storia anni ’80 – 2002..

W boson, UA1 detector in 1982

Viva Fysica

Le generazioni della materiaLe generazioni della materia

Quarks e leptoni organizzati in tre “famiglie”:

tutta la materia visibile nell’universo e’ costituita dalla prima generazione.Le particelle della 2a e 3a generazione sono instabili e decadono in particelle della 1a

Ci sono altre generazioni? Non si sa il perche’ di queste “repliche”…sorprese sono ancora possibili…Sperimentalmente pare di no

Introducendo i quarks..Introducendo i quarks..

La mia tesi di Dottorato!!Supervisori: H. Grassmann, G. Bellettini

Il Bosone di HiggsIl Bosone di Higgs

Il Modello Standard richiede l’esistenza di una ulteriore particellaBosone di Higgs

Senza caricaMassa sconosciuta (>115 GeV)spin = 0

E’ richiesto per poter assegnare le masse (nella teoria) a bosoni e fermioni

Il MS e’ la teoria del tutto?Il MS e’ la teoria del tutto?

NOIl Modello Standard non funziona a tutte le energieIl Modello Standard non include la gravita’L’ Higgs non e’ ancora stato scoperto

UnificazioneElectricity

Magnetism

Weak force

Strong force

Gravity string theory...

electromagnetism

electroweak force

GUTs

Altri problemi aperti…Altri problemi aperti…

Alcuni buoni motivi per credere che il Modello Standard sia una (buona) approssimazione di qualcosa di piu’ complesso:

non spiega la gerarchia delle massenon spiega la dominanza di materia nel nostro Universonon suggerisce una soluzione al problema della Materia Oscura nell’Universoperche’ 3 famiglie ?troppi parametri....

Varie teorie cercano di superare questi problemi:GUT, SUSY, Technicolor, Compositeness, Superstringhe.Purtroppo nessuna di queste ha una qualche conferma sperimentale…

I quarks sono veramente I quarks sono veramente indivisibili?indivisibili?

There is no logical path leading to these elementary laws, only an intuitive one, based

on creativity and experience

“The most important task for scientists is to search for the most fundamental laws, from which a picture of the world can be

deduced.”

Tra le 100 Tra le 100 persone che hanno influenzato il persone che hanno influenzato il mondo….mondo….

17 Fisici

7 Fisici nell’ Era ModernaAlbert EinsteinGuglielmo MarconiWernier HeisenburgErnest RutherfordMax PlanckWilliam Conrad RontgenEnrico Fermi

Senza includere altri come Bohr, Boltzmann, Dirac, Feynman, Michelson, Schrodinger!

La fisica delle particelle ha dato 40 dei ~90 Premi Nobel dal 1901 ad oggi.

Se si hannofortunae tenacia…

La ricerca del quark TopLa ricerca del quark Top

Dopo la scoperta del quark bottom (Fermilab 1977) il Modello Standard prevedeva un ultimo quark top per completare la coppia della terza generazioneIl Modello Standard inoltre e’ in grado di predire esattamente il decadimento del quark top:

q, e,

q e, , , Ma non e’ in grado di predirneMa non e’ in grado di predirne la massa….la massa….

Produzione di Top a Batavia, Produzione di Top a Batavia, ILIL

Il Tevatron di Fermilab e’ l’acceleratore di piu’ alta energia oggi esistente.Protoni e antiprotoni si scontrano con una energia di 1.8 TeV (1800000000000 electron volts)

Collider Detector at FermilabCollider Detector at Fermilab

muonchamberssteel

HAD calorimeter

EM calorimetersolenoid

jet

muons

e

electrons & photons

quarks & gluons

neutrinos

K, etc.

tracking volume

I diversi tipi di particellerilasciano tipi diversi di segnature nei nostri rivelatori

Vari milioni di collisioni per secondo

~ 100 per secondoscritte su nastro

Analisi deidati…

Simulazione di cio’ che ci si Simulazione di cio’ che ci si aspettaaspetta

Trovato!Trovato!

Nel 1994, dopo 17 anni di ricerche a vari acceleratori e circa 10 anni allo stesso Tevatron, sono statei trovati 12 eventi che sembravano provenire dalla produzione di una coppia top-antitopOra ce ne sono piu’ di 100…Perche’ e’ stato cosi’ difficile?

Perche’

MTOP c 2=

- E solo 1 in 1010 collisioni puo’ produrre una coppia top-antitop

BACKUPBACKUP

Viva Fysica

Stato attuale della Fisica nel Stato attuale della Fisica nel 20052005

Meccanica statisticaFermioni e BosoniStati condensati Bose-EinsteinSuperconduttivita’Evoluzione Stellare

Elettricita’ e MagnetismoEquazioni di Maxwell (c1880)

Forza nucleare deboleRadioattivita’

Forza Forte NucleareComposizione Particelle Nucleari

Meccanica (Gravita’)Teoria Generale Relativita’

Il Modello Standard Unifica•Elettricita’ e Magnetismo•Forza Forte Nucleare• Forza Debole Nucleare

Leggi di Conservazione• Energia• Impulso e momento angolare• Spin• Numero Barionico e Leptonico

Quanto Meccanica•Esistenza degli atomi•Particelle subatomiche•Approccio probabilistico

Negli anni ’90, i dati raccolti al LEP studiando il decadimento del bosone Z, ci permettono di determinare con grande precisione il numero di neutrini (e quindi il numero di generazioni) e di escludere con certezza la presenza di neutrini “anomali”. Una ulteriore conferma del Modello Standard

Il precedente limite era basato su considerazioni cosmologiche

Verifica del Modello StandardVerifica del Modello Standard

La curva corrispondente ad un numero di generazioni paria tre descrive meglio la curva!

AntimateriaAntimateria

Per ogni particella (materia) c'è la corrispondente antiparticella (antimateria).

Un'antiparticella è identica alla sua particella sotto ogni aspetto, tranne che per la carica, che è opposta. Per esempio: il protone ha carica elettrica positiva, e l'antiprotone ha carica elettrica negativa; ma hanno la stessa identica massa, perciò sono soggetti alla gravità nella stessa identica maniera.

Quando una particella e la sua antiparticella si incontrano, si annichilano in energia pura. Questa energia può dar vita a particelle, prive di carica, mediatrici di forza, come fotoni,

bosoni Z, o gluoni.

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L’ antico atomismoL’ antico atomismo

Democrito argui’ su basi logiche che devono esistere qualcosa di “invariato” nell’ Universo (c.f. leggi di conservazione nella fisica moderna?). Stabili’ poi che questi assoluti sono le piu’ piccole componenti dei corpi visibili.

Immagino’ la natura come un moto incessante di piccole particelle di materia, indivisibili ed eterne che chiamo’ atomi (ατομον = indivisibile in Greco) (c.f. si pensi alla moderna teoria cinetica dei gas..).I cambiamenti che si osservano nell’ Universo richiedono l’esistenza del vuoto (gaps tra gli atomi)

“Per convenzione parliamo di colore, di dolce, di amaro, ma in realta’ ci sono atomi e spazio”.

Aristotele rispose che questi ipotetici atomi sarebbero dovuti casere a terram proprio come una pietra una volta sospesa e poi lasciata.

Limits of pre-Modern PhysicsLimits of pre-Modern Physics

Dimension Range of Applicability Range of Application

Length 10-6 to 10+8 m Smoke particle (Brownian Motion) to the solar system

Mass 10-9 to 10+31 kg Dust particles to solar mass

Time 10+10 to 10+17 sec-1

10-3 to 10+9 secMicrowave to UV lightSmallest timing increments (msec) to celestial motions (centuries)

Velocity 10-6 to 10+5 m/s Small particles to celestial motion

Il moderno atomismoIl moderno atomismo

Teoria atomica della materia: Dalton (1808)Moto Browniano: Einstein (1905); determinazione del numero di Avogadro.

Piu’ avanti: scoperta che l’atomo non e’ il costituente fondamentale

Scoperta dell’elettrone: Thompson (1897)Scoperta del nucleo atomico: Rutherford (1911)Modello di Bohr dell’atomo (1913)Scoperta del neutrone (1932)

Il Modello a quarkIl Modello a quark

Solo combinazioni prive di colore (“bianche”) di quarks e anti-quarks possono formare particelle (Adroni).

qqq (barioni)

qq (mesoni)

Non ne sono state osservate altre. Pentaquarks???

Un altro evento con jetsUn altro evento con jets

Gli stessi getti si osservano in eventi provenienti da collisioni protone-antiprotone

Limiti attuali della Fisica Limiti attuali della Fisica ModernaModerna

Dimensioni Intervallo di valori Intervallo di applicazione

Lunghezza 10-18 -10+26 m Dimensioni quark-dimensioni Universo

Massa 10-31 - 10+40 kg Elettroni – Raggruppamenti di galassie

Tempo 10+3 - 10+22 sec-1

10-16 - 10+17 secOnde radio – Raggi Spettroscopia<famtosec–Eta’ Universo

Velocita’ 10-8 - 10+8 m/s Particelle sub-atomiche-velocita’ luce

Le originiLe origini

Nell'antichità l'uomo pensava che ogni cosa nel mondo fosse un composto dei quattro elementi:

L’ atomismoL’ atomismo

Democrito (460-370 B.C.) Filosofo greco: propose una teoria meccanicista del mondo che non richiedeva forze sovrannaturali, ma solo il moto costante degli atomi (indistruttibili) dei quali e’ composta la materia

Democrito stabilisce che la nostra percezione delle cose e’ una sorgente di conoscenza fallace (esempio: gli atomi sono troppo piccoli per essere osservati). La conoscenza si ottiene dal ragionamento.

Inconsistenze nella Fisica del 2005Inconsistenze nella Fisica del 2005

Meccanica statisticaFermioni, Bosoni ed AnioniCondensati di Bose-EinsteinSuperconduttivita’Evoluzione Stellare

Elettricita’ e MagnetismoEquazioni di Maxwell (c1880)

Forze nucleari deboliRadioattivita’Violazione di CPT?

Strong Nuclear ForceComposition of subatomic particlesMatter/antimatter imbalanceDecay ratios and particle massesSearch for Higgs BosonsNatura della forza forteDecadimento protone

Meccanica (Gravita’)General Theory of RelativityInconsistente con QMRicerca della Materia OscuraCostante di gravitazione fissata

GUT’s and TOE’s•Combinazione di Standard Model & Gravita’• Teoria delle Stringhe

Leggi di conservazione• Energoa• Impulso e Momento Angolare• Carica• Spin, Numero Leptonico e Barionico

Meccanica Quantistica•Esistenza atomi•Particelle subatomiche•Approccio probabilistico•Entwined States•Fisica alle dimensioni sub-Planck

• Evoluzione Stellare• SM per Buchi Neri

Fermioni pesanti ed HTSC

Sistemi Caotici e complessi

Inconsistencies in Physics Inconsistencies in Physics ciracira 1900 1900

Statistical Mechanics (c 1860)Boltzman DistributionEntropy and counting states

Electricity & MagnetismMedium for propagation of lightObeyed Lorentz transformation

Mechanics (Gravity)Obeyed Galilean Transform

Photoelectric EffectDiffraction of x raysDiscrete Atomic SpectraRadioactive decay

Blackbody radiationWein’s Law

Existence of atoms

Brownian motion