13.3.2008Master Classes @ Roma Tre1 Il Modello Standard Domizia Orestano Università Roma Tre Master...

17
13.3.2008 Master Classes @ Roma Tre 1 Il Modello Standard Domizia Orestano Università Roma Tre Master Classes 18-26/3/2009

Transcript of 13.3.2008Master Classes @ Roma Tre1 Il Modello Standard Domizia Orestano Università Roma Tre Master...

Page 1: 13.3.2008Master Classes @ Roma Tre1 Il Modello Standard Domizia Orestano Università Roma Tre Master Classes 18-26/3/2009.

13.3.2008 Master Classes @ Roma Tre 1

Il Modello Standard

Domizia Orestano

Università Roma Tre

Master Classes 18-26/3/2009

Page 2: 13.3.2008Master Classes @ Roma Tre1 Il Modello Standard Domizia Orestano Università Roma Tre Master Classes 18-26/3/2009.

13.3.2008 Master Classes @ Roma Tre 2

Sommario

La ricerca dei costituenti elementari della materia

Tre famiglie di mattoni elementari

Quattro forze fondamentali: mediatori e cariche

L’antimateria e l’annichilazione materia-antimateria

Decadimenti (Z0 e

Page 3: 13.3.2008Master Classes @ Roma Tre1 Il Modello Standard Domizia Orestano Università Roma Tre Master Classes 18-26/3/2009.

13.3.2008 Master Classes @ Roma Tre 3

Gli atomi• John DALTON (1766-1844) per spiegare le osservazioni sul comportamento dei gas formula l’ipotesi che gli elementi siano composti di particelle indivisibili: gli atomi.

• Dimitri MENDELEÏEV (1834-1907) organizza tutti gli elementi allora noti in uno schema che mette in evidenza la periodicità delle loro proprietà.

• L’esistenza di una simmetria è un indicatore di una possibile struttura interna!

Page 4: 13.3.2008Master Classes @ Roma Tre1 Il Modello Standard Domizia Orestano Università Roma Tre Master Classes 18-26/3/2009.

13.3.2008 Master Classes @ Roma Tre 4

La struttura atomica

1895-1900: scoperta dei raggi X (W.Roentgen)

scoperta della radioattività naturale (P.&M. Curie, H.Becquerel)

scoperta dell’elettrone (J.J.Thomson)

L’atomo non è indivisibile!

Il modello atomico di Thomson:Un numero Z di elettroni

Una distribuzione continua di cariche positive

L’esperimento di Rutherford:

?

Page 5: 13.3.2008Master Classes @ Roma Tre1 Il Modello Standard Domizia Orestano Università Roma Tre Master Classes 18-26/3/2009.

13.3.2008 Master Classes @ Roma Tre 5

Il modello atomico di Bohr

L’atomo e` in gran parte “vuoto”:in un modello in scala in cui il nucleo è un pallone da calcio, gli elettroni si muovono sulla parte piu` lontana delle tribune

NB: Se il Colosseo fosse “pieno”, misurerebbe… 18 mm !!!!

Un nucleo carico positivamente (+Ze) in cui si concentra praticamente tutta la massa, circondato da una nuvola di Z elettroni.

Page 6: 13.3.2008Master Classes @ Roma Tre1 Il Modello Standard Domizia Orestano Università Roma Tre Master Classes 18-26/3/2009.

13.3.2008 Master Classes @ Roma Tre 6

Il nucleo atomico

Esistenza degli isotopi (elementi con lo stesso numero di elettroni ma diversa massa)Problemi con il momento angolare intrinseco (spin) dei nuclei

Anche il nucleo è un sistema composto da Z protoni e da (A-Z) neutroni

Ma in presenza della sola forza elettromagnetica non potrebbe essere stabile!

E’ tenuto insieme dalla interazione forte.

Page 7: 13.3.2008Master Classes @ Roma Tre1 Il Modello Standard Domizia Orestano Università Roma Tre Master Classes 18-26/3/2009.

13.3.2008 Master Classes @ Roma Tre 7

Una miriade di nuove particelleDagli anni ’30 in poi sono state scoperte tantissime nuove particelle, nelle interazioni dei raggi cosmici e dei fasci prodotti dagli acceleratori

Si distinguono due categorie principaliLeptoni, che non interagiscono in modo forteAdroni, che risentono della forza forte

Gli adroni possono essere classificati in sistemi dotati di simmetrieAnche in questo caso potrebbe esserci una struttura interna!

Page 8: 13.3.2008Master Classes @ Roma Tre1 Il Modello Standard Domizia Orestano Università Roma Tre Master Classes 18-26/3/2009.

13.3.2008 Master Classes @ Roma Tre 8

I mattoni elementari: quark e leptoni

Modello a quark introdotto per giustificare le simmetrie osservate. Carica elettrica frazionaria. Tre stati diversi (colori) per ogni quark. Adroni composti da 3 quark o da coppie quark-antiquark. Non si osservano quark liberi: sono confinati all’interno degli adroniSia per i quark che per i leptoni sono presenti tre famiglie o generazioni apparentemente con le stesse proprietà ad eccezione della massa

mas

sa

Materia

ordinaria

Page 9: 13.3.2008Master Classes @ Roma Tre1 Il Modello Standard Domizia Orestano Università Roma Tre Master Classes 18-26/3/2009.

13.3.2008 Master Classes @ Roma Tre 9

I costituenti della materia

taglia in atomi taglia in metri

(al max)

atomo

nucleo

nucleone

quark/elettrone

Lo spazio è quasi completamente vuoto: sono le forze che realizzano la solidità degli oggetti

Page 10: 13.3.2008Master Classes @ Roma Tre1 Il Modello Standard Domizia Orestano Università Roma Tre Master Classes 18-26/3/2009.

13.3.2008 Master Classes @ Roma Tre 10

Le forze o interazioni

L’interazione avviene grazie allo scambio di particelle

Intensità: 10-38 10-5 10-2 1

Tutte le forze osservate in natura sono riconducibili a

4 interazioni fondamentali

Mediate dallo scambio di particelle

Responsabili

della coesione della materia

del suo decadimento

Page 11: 13.3.2008Master Classes @ Roma Tre1 Il Modello Standard Domizia Orestano Università Roma Tre Master Classes 18-26/3/2009.

13.3.2008 Master Classes @ Roma Tre 11

Le caricheL’intensità di una interazione tra particelle dipende dalla costante di accoppiamento (carica) tra queste e la particella mediatrice

3

Page 12: 13.3.2008Master Classes @ Roma Tre1 Il Modello Standard Domizia Orestano Università Roma Tre Master Classes 18-26/3/2009.

13.3.2008 Master Classes @ Roma Tre 12

Ipotesi formulata da DIRAC (1931)

Un oggetto con stesse caratteristiche della particella corrispondente ad eccezione della carica elettrica che cambia segno (e dei momenti magnetico ed elettrico)

ANDERSON scopre l’antiparticella dell’elettrone, il positrone, nel 1932

Tutte le particelle hanno un’antiparticella (e+, +, n, p…) che in alcuni casi coincide con la particella stessa (0, )

Antiparticella

Page 13: 13.3.2008Master Classes @ Roma Tre1 Il Modello Standard Domizia Orestano Università Roma Tre Master Classes 18-26/3/2009.

13.3.2008 Master Classes @ Roma Tre 13

AnnichilazioneNegli anelli di collisione vengono fatti incontrare fasci di

elettroni e di positroni (o di protoni).

L’interazione di una particella con la sua antiparticella porta alla loro annichilazione ovvero al trasferimento di tutta la loro massa e la loro energia cinetica ad uno stato virtuale, ed in particolare ad un fotone o ad uno Z0. A LEP l’energia dei fasci è stata scelta per produrre bosoni Z0 reali.

Dopo un tempo molto breve lo stato virtuale produce nuovamente una coppia particella-antiparticella.

Page 14: 13.3.2008Master Classes @ Roma Tre1 Il Modello Standard Domizia Orestano Università Roma Tre Master Classes 18-26/3/2009.

13.3.2008 Master Classes @ Roma Tre 14

Decadimenti

Quasi tutte le particelle elementari sono instabili

Decadono in particelle di massa inferiore con tempi caratteristici che dipendono dall’interazione responsabile della disintegrazione

Esempio: decadimento del K+ in ++0

osservazione interpretazione

Page 15: 13.3.2008Master Classes @ Roma Tre1 Il Modello Standard Domizia Orestano Università Roma Tre Master Classes 18-26/3/2009.

13.3.2008 Master Classes @ Roma Tre 15

Nel misterioso mondo quantistico in cui vivono le particelle, ogni singola particella Z deve decadere, ma è impossibile sapere in anticipo in quale tipo di particelle decadrà. Tutto ciò che si può dire è che ha una certa probabilità di decadere in un certo tipo di particelle e le frequenze dei diversi tipi di decadimento possono essere calcolate teoricamente nel Modello Standard

Una particella Z può decadere in: due elettroni (Z0→ e+ + e- )

due muoni (Z0→ + + -)

due particelle tau (Z0→ + + - )

due neutrini (Z0→ + e

due quark (Z0→ q + q ) (q=u,d,c,s,b ma non t che è troppo pesante)

Decadimenti dello Z0

~3,3 %

~3,3 %

~3,3 %

~20 %

~70 %

~10 %

INVISIBILE!

Page 16: 13.3.2008Master Classes @ Roma Tre1 Il Modello Standard Domizia Orestano Università Roma Tre Master Classes 18-26/3/2009.

13.3.2008 Master Classes @ Roma Tre 16

Decadimenti deboli mediati dallo scambio di un bosone W - → - +

- → e- + e

- → h- +n

- → h- h+ h- n

(h indica un generico adrone) In un evento Z0→ + + - si hanno 2 che decadono indipendentemente e si possono avere stati finali con

2 elettroni 2 muoni1 elettrone e 1 muone1 elettrone e adroni1 muone e adroniadroni

Decadimenti del

~18 %

~18 %

~49 %

~15 %

Page 17: 13.3.2008Master Classes @ Roma Tre1 Il Modello Standard Domizia Orestano Università Roma Tre Master Classes 18-26/3/2009.

13.3.2008 Master Classes @ Roma Tre 17

3 famiglie

Gli esperimenti LEP hanno misurato la probabilità che una Z decadesse producendo particelle visibili nel rivelatore in funzione dell’energia di collisione elettrone-positrone.

Le tre linee colorate corrispondono alle previsioni della teoria per 2, 3 e 4 famiglie di particelle.

I dati sono in ottimo accordo con la curva per tre famiglie.

Se le nostre teorie sono corrette, allora le tre famiglie di particelle che già conosciamo sono già tutto quanto c’è da conoscere. Ciò che non ci dice, tuttavia, è perché la natura abbia scelto di fare due copie della famiglia fondamentale di particelle...