Cosmo e Particelle -...

Planetario Milano - 20/11/2012 1

Marco G. GiammarchiIstituto Nazionale di Fisica NucleareVia Celoria 16 – 20133 Milano (Italy)

[email protected]://pcgiammarchi.mi.infn.it/giammarchi/

Outline:

1. Le Particelle fondamentali

2. Le Forze fondamentali

3. L’Universo a particelle

4. Il Modello Standard

( M. Fanti, 22/11/2012)

Cosmo e Particelle(Introduzione alla scoperta del Bosone di Higgs)

mailto:[email protected]


Cosa abbiamo imparato (a scuola) ?

Materia: composta da costituenti fondamentali: Molecole, Atomi, Nuclei

1. Le Particelle fondamentali

Ossigeno

IdrogenoIdrogeno

m1010−

Molecole: costituenti della materia

Ipotizzate per comprendere la Chimica

Leggi di Dalton e di Avogadro (1803-1811)

Dimostrazione sperimentale finale: Perrin (1911)


A loro volta le Molecole sono composte da Atomi

Atomo = Nucleo, Elettroni

Diversi tipi di atomi:

La Tavola Periodica

Nucleo = Protoni, Neutroni

L’Elettrone: una particella davvero elementare


Parmenides (circa 500 AC), Zenon (circa 490 – 430 AC): l’esperienza della molteplicità è negabile.La materia è divisibile e suddivisa all’infinito. La divisione infinita della estensione fornisce come risultato zero, il niente, e quindi la molteplicità in cui consiste l’estensione corporea non esiste, è opinione illusoria.

Demokritos (circa 460 – 370 AC): l’esperienza della molteplicità è innegabileLa materia è suddivisa ma non all’infinito.A-tomos, indivisibile. Venne introdotto per fermare il processo di “riduzione al nulla” dell’estensione spaziale (Parmenide, Zenone).L’atomo è il punto in cui tale processo si ferma.Il senso in cui tutto ciò era inteso è diverso dal senso moderno di scienza.La Fisica delle Particelle come scienza moderna inizia nel 1930 circa.


m1410−m1010−

quark

quark

quark

PROTONE

A loro volta i protoni e i neutroni sono composti da:

I quark (costituenti un protone o un neutrone) sono particelle elementari

Le particelle “elementari” sono quelle che costituiscono tutte le altre e che non hanno una loro struttura interna.

Sono i mattoni costruttivi dell’Universo


Costituenti fondamentali della materia: Quark e Leptoni

Hanno spin e carica ben definiti

Sono elementari al meglio di 10-18 m

Costituiscono la materia in condizioni ordinarie

Costituiscono le particelle instabili

Massa

Materia ordinaria

Decadono in particelle stabili


Come si studiano le particelle elementari? Ad esempio in esperimenti con acceleratori di particelle.

Tunnel di LHC, CERN (Ginevra)

Ricetta:

• prendere particelle cariche

• accelerarle con sistemi elettrici e magnetici (acceleratori)

• farle urtare tra loro

Nei grandi laboratori sistemi complessi di acceleratori portano particelle a energie elevatissime

Negli urti tra queste particelle, altre particelle vengono prodotte. Massa si trasforma in energia e viceversa


Esperimenti su particelle ai grandi acceleratori:CMS al CERN di Ginevra

CDF al Fermilab (Chicago)

Sistemi complessi composti da rivelatori specializzati

ATLAS al CERN di Ginevra


Le particelle elementari, urtandosi tra di loro, creano altre particelle

2mcE =Continua trasformazione di energia in massa e viceversa


2. Le Interazioni fondamentali

L’atomo di Idrogeno (deuterio)

),,( duup=

),,( ddun=

Quarks, elettroni, fotoni come particelle fondamentali nell’atomo

10-10 m

10-15 m

Quali sono le forze che tengono insieme gli atomi e i nuclei ?

I quark stanno insieme nel nucleo

Il nucleo e gli elettroni sono legati tra loro


Le forze fondamentali in natura

Gravità

Elettromagnetismo

Forza nucleare forte

Forza nucleare debole

Idea guida: spiegare tutti i fenomeni fondamentali con queste interazioni

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In fisica quantistica

• Scambio di quanti

Il concetto di forza

In fisica classica:

• Azione istantanea a distanza• Campo (Faraday, Maxwell)

2

kF

r=


Elettromagnetismo

Responsabile del legame tra particelle cariche:ad esempio la stabilita’ atomica

Costante di accoppiamento: carica elettrica

Raggio di azione della forza: infinito

µνµν JF =∂

0=∂+∂+∂ ρµνµνρνρµ FFF

La teoria classica: equazioni di Maxwell (1861)

F: Tensore campo elettromagneticoJ: 4-corrente

Riguarda tutte le particelle dotate di carica elettrica (quark, leptoni, W)

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Gravità

Responsabile del legame tra corpi macroscopici

ρπφ G42 =∇

Potenziale gravitazionale Densita’ di massa

µνµνµνπ

Tc

GgG

4

8=Λ+

Tensore di Einstein Costante cosmologica Tensore Energia-Momento

)( αβεθµνµν gGG ∂∂=

Teoria di campo classica (Newton, 1687) per le masse.

Teoria di campo “geometrizzata” (Einstein, 1915)

Relativita’ Generale

Il principio di equivalenza tra massa inerziale e massa (carica) gravitazionale ha permesso di considerare la gravita’ come una proprieta’ del background spaziotemporale)

−−

−=→

1000

0100

0010

0001

)( µναβ ηxg

Tensore Metrico

Lontano da masse/energie (spaziotempo piatto)

Riguarda tutte le forme di energia (tra cui la massa) dell’Universo

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Forza Nucleare Debole

Riguarda quark e leptoni (portatori di una “carica debole”)

Di norma il processo Debole e’ trascurabile perche’ processi Elettromagnetici e Nucleari Forti hanno il sopravvento. I processi Deboli sono invece la norma quando:• Vengono violate leggi di conservazione (conservate nelle interazioni EM o Forti)• Intervengono particelle non cariche e/o prive di Interazione Forte

Interazioni deboli a corrente carica: decadimento beta dei nuclei:

( , ) ( 1, 1) eA Z N A Z N e ν−+ − + +ﾮ (a livello di nuclei)

en p e ν−+ +ﾮ (a livello del neutrone libero)

ed u e ν−+ +ﾮ (a livello dei costituenti fondamentali)

Planetario Milano - 20/11/2012 16Planetario di Milano - 21 Febbraio 2012 16

La Forza Nucleare Debole ha un ruolo importante nelle reazioni di fusione che avvengono all’interno del Sole

Planetario Milano - 20/11/2012 17Planetario di Milano - 21 Febbraio 2012 17

99,77%p + p → d+ e+ + νe

0,23%p + e - + p → d + νe

3He+3He→α+2p

3He+p→α+e+

+νe

~2×10-5 %84,7%

13,8%

0,02%13,78%3He + 4He →7Be + γ

7Be + e- → 7Li + νe7Be + p → 8B +

γ

d + p → 3He +γ

7Li + p ->α+α

8B → 8Be*+ e+ +νe

2α

Reazioni nucleari nel Sole: il ciclo pp


Forza Nucleare Forte

Agisce tra i quark che costituiscono gli adroni

Responsabile della stabilità degli adroni (barioni, mesoni)

Mediata dai GLUONI

Si attribuisce ai quark una carica (il colore)

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PROTONE

NEUTRONE

Mediata dai GLUONI


Le Interazioni Fondamentali

Gravità Elettromagnetismo

Debole Forte

Gravitone Fotone W,Z 8 Gluoni

Spin 2 1 1 1

Massa 0 0 82,91 GeV 0

Range ∞ ∞ 10-18 m 10-15 m

Source Mass Electric charge Weak charge Color

Coupling Constant (proton)

10-39 1/137 10-5 1

1 GeV Cross Section

10-29 cm2 10-42 cm2 10-27 cm2

Lifetime for decay 10-19 s 10-8 s 10-23 s

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3. L’Universo a particelle

Lo schema con cui si descrive la nascita e l’evoluzione dell’Universo è quello delBIG BANG CALDO

La creazione di Adamo – Michelangelo Buonarroti (1511). (Musei Vaticani - La Cappella Sistina)

Planetario Milano - 20/11/2012 21Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 21

Il modello del Big Bang:

1) Il red-shift (espansione cosmica)2) La nucleosintesi primordiale3) La radiazione cosmica di fondo4) La Relatività Generale5) L’Inflazione

Osservazioni sperimentali

Teoria della Gravitazione

Se l’Universo è in espansione, nei primi istanti ci si doveva trovare in una situazione di densità altissima, temperatura altissima, energia/particella altissima

Planetario Milano - 20/11/2012 2222Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011

Una storia termica dell’universo

Particelle/Antiparticelle libere




−+

−+

→

→

ee

ee

γγγ

πππ→pp

Queste reazioni creano e distruggono particelle/antiparticelle in ugual numero

NOee

ee−+

−+

→

→

γγγ

Quando l’energia scende non è più possibile creare coppie particella/antiparticella. Invece tali coppie si possono distruggere:




Reazioni di questo tipo dovrebbero aver mantenuto uguale il numero di particelle e antiparticelle

ellaantiparticparticellaenergia

energiaellaantiparticparticella

+→→+

)2

)1

Al diminuire di T solo la 1 resta possibile e tutte le particelle/antiparticelle si annichilano in energia


Ma l’Universo non è vuoto. Contiene MATERIA e non ANTIMATERIA !

Un processo fisico ha alterato il rapporto tra materia e antimateria nei primi istanti, creando un poco (pochissimo) di materia in più


Affinche’ sia possibile creare/distruggere particelle elementari, occorre fornire energia concentrata in dimensioni piccolissime. Questo avviene negli acceleratori di particelle terrestri. O negli acceleratori cosmici.

Acceleratore di particelle

Pulsar

Acceleratori terrestri e cosmici


Tra gli acceleratori galattici piu’ efficienti…. I Nuclei Galattici Attivi (AGN’s)

Un AGN puo’ accelerare particelle che attraversano milioni di anni luce di spazio (che e’ quasi vuoto)

Le particelle accelerate dagli AGN possono raggiungere il Sistema Solare e la Terra.

e possono interagire nell’atmosfera.

Sono i Raggi Cosmici


4. Modello Standard

Una discussione introduttiva

Il Modello Standard e’ una descrizione fisica delle particelle elementari e delle interazioni che avvengono tra di loro

Si tratta di una delle piu’ grandi conquiste concettuali del secolo scorso, frutto dello sforzo teorico e sperimentale di migliaia di fisici

Il Modello Standard descrive i costituenti elementari e in modo rigoroso ed essenzialmente completo (ed unificato) l’interazione elettromagnetica e debole.

In modo rigoroso ma non ancora completo anche le interazioni forti

Il Modello Standard descrive particelle che sono state tutte osservate sperimentalmente (il più recente: IL BOSONE DI HIGGS)


Le Interazioni Fondamentali

Gravità Elettromagnetismo

Debole Forte

Gravitone Fotone W,Z 8 Gluoni

Spin 2 1 1 1

Massa 0 0 82,91 GeV 0

Range ∞ ∞ 10-18 m 10-15 m

Source Mass Electric charge Weak charge Color

Coupling Constant (proton)

10-39 1/137 10-5 1

1 GeV Cross Section

10-29 cm2 10-42 cm2 10-27 cm2

Lifetime for decay 10-19 s 10-8 s 10-23 s

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Portatori di forzaCostituenti della materia

3 famiglie

Proprietà dei costituenti:

Quark:

• carica elettrica • colore• massa efficace• spin (1/2)

Leptoni:

• carica elettrica• massa• spin (1/2)

Tutti i costituenti (Quark, Leptoni) sono Fermioni.

IMPORTANTE:


Nel Modello Standard la funzione (di Lagrange) si potrebbe scrivere come :

MLLL DEBOLEEMFORTI ++= /

CostituentiInterazioni tra i costituenti

In questo modo le masse dei costituenti scritte in modo esplicito nella funzione di Lagrange del Modello Standard

…..MA questa Lagrangiana è non rinormalizzabile (non trattabile matematicamente) !!


Il Meccanismo di Higgs è stato proposto per introdurre le masse dei costituenti fondamentali (e del W,Z) in modo che la teoria fosse trattabile.

)(/ hLLLL DEBOLEEMFORTI ++=

Potenziale di Higgs

Questo termine è in grado di generare masse senza violare le proprietà di rinormalizzabilità della teoria.

Se il meccanismo di generazione delle masse è quello ipotizzato da Peter Higgs (e Brout, Englert, Kibble, Guralnik, Hagen) nel 1964, allora si deve osservare una particella a spin 0 (bosone) del tutto nuova.


Interazioni del Bosone di Higgs con le altre particelle della teoria

La ricerca del Bosone di Higgs iniziò (al Fermilab e) al CERN negli anni ‘90


Tutte le particelle del Modello Standard sono state osservate e tre delle quattro interazioni fondamentali vengono descritte in un quadro unificato e coerente.

La scoperta del Bosone di Higgs (2012) l’ipotesi teorica viene confermata sperimentalmente 48 anni dopo la sua formulazione !

Un successo epocale per la Fisica delle Particelle

(Giovedì, stessa ora, stesso posto. Uno dei protagonisti di questa scoperta ce la racconterà in dettaglio)


un altro capitolo della comprensione di infinitamente piccolo e infinitamente grande

cml 1810−= Mpcl 4300≥

st 2310−= yt 9108.13 ×=

Grazie della vostra attenzione

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