Elementi di Fisica subatomicaElementi di Fisica subatomicaA.A 2013-14A.A 2013-14

Giuseppe PagliaraGiuseppe Pagliara

Orario lezioni: Martedi – MercolediOrario lezioni: Martedi – Mercoledi

Esami: scritto+orale, date da concordare col docenteEsami: scritto+orale, date da concordare col docente

Programma e bibliografiaProgramma e bibliografia

● Il corso ha lo scopo di introdurre alcuni concetti e Il corso ha lo scopo di introdurre alcuni concetti e nozioni fondamentali della fisica delle particelle nozioni fondamentali della fisica delle particelle elementari e della fisica nucleareelementari e della fisica nucleare

● Importante familiarizzare con scale, ordini di Importante familiarizzare con scale, ordini di grandezza, processi di scattering e decadimento, leggi grandezza, processi di scattering e decadimento, leggi di conservazionedi conservazione

● Prerequisiti: fisica classica, relativita' speciale (che Prerequisiti: fisica classica, relativita' speciale (che verra' comunque ritrattata). Molto utile ricordare i verra' comunque ritrattata). Molto utile ricordare i concetti principali di Meccanica quantisticaconcetti principali di Meccanica quantistica

● Introduzione storicaIntroduzione storica● Spazio tempo di Minkowski, trasformazioni Spazio tempo di Minkowski, trasformazioni

di Lorentz, quadrivettori velocita', momentodi Lorentz, quadrivettori velocita', momento● Cenni di fisica nucleare e processi nucleariCenni di fisica nucleare e processi nucleari● Cinematica e dinamica relativistica Cinematica e dinamica relativistica ● Processi di scattering e decadimentoProcessi di scattering e decadimento● Il modello standard: interazione debole e Il modello standard: interazione debole e

interazione forte, particelle elementari, leggi interazione forte, particelle elementari, leggi di conservazione di conservazione

Testi: Testi: ● ““Particelle e nuclei”, Povh, Rith, Scholz, Zetsche Particelle e nuclei”, Povh, Rith, Scholz, Zetsche

(Bollati Boringhieri)(Bollati Boringhieri)● ““Relativita'”, Barone (Bollati Boringhieri)Relativita'”, Barone (Bollati Boringhieri)● ““Quark and Leptons”, Halzen, Martin (John Quark and Leptons”, Halzen, Martin (John

Wiley & Sons) avanzatoWiley & Sons) avanzato● ““Particelle e interazioni fondamentali” (Braibant, Particelle e interazioni fondamentali” (Braibant,

Giacomelli, Spurio) , medioGiacomelli, Spurio) , medio● Particle Data Group (PDG)Particle Data Group (PDG)● Wikipedia !!Wikipedia !!● Libri da comodino: “Understanding the Libri da comodino: “Understanding the

Universe” Don Lincoln, “Facts and Mysteries in Universe” Don Lincoln, “Facts and Mysteries in Elementary Particle Physics” Elementary Particle Physics”

● Cariche elettriche positive Cariche elettriche positive e negative, quantizzazione e negative, quantizzazione e conservazione della e conservazione della carica elettrica, interazione carica elettrica, interazione elettromagnetica, forza di elettromagnetica, forza di Lorentz, Eq. di Maxwell Lorentz, Eq. di Maxwell (1865), Onde,(1865), Onde, unificazione unificazione dei fenomeni elettrici, dei fenomeni elettrici, magnetici ed ottici!magnetici ed ottici!

… … FISICA II:FISICA II:

La migliore comprensione dei fenomeni elettromagnetici ha La migliore comprensione dei fenomeni elettromagnetici ha portato poi alla fine dell'Ottocento a:portato poi alla fine dell'Ottocento a:

Fisica sperimentale: Fisica sperimentale: esperimento di Michelson-esperimento di Michelson-Morley Morley (1887) , violazione della (1887) , violazione della relativita' galileianarelativita' galileiana

Fisica teorica:Fisica teorica: Trasformazioni di Trasformazioni di Lorentz ...Teoria della Lorentz ...Teoria della relativita' speciale di relativita' speciale di Einstein Einstein (1905) (1905)

Fisica sperimentale: Fisica sperimentale: -) -) scoperta dei Raggi-Xscoperta dei Raggi-X (1895) (1895) tramite i tubi di tramite i tubi di RoentgenRoentgen

Interferenza Interferenza dell onde dell onde EMEM

Non si Non si conosceva conosceva ancora la ancora la natura dei natura dei raggi catodiciraggi catodici

-) scoperta della radioattivita' -) scoperta della radioattivita' “spontanea” di alcuni elementi “spontanea” di alcuni elementi chimici da parte di chimici da parte di BecquerellBecquerell (1896) e successivi sviluppi (1896) e successivi sviluppi dei dei CurieCurie. Come i raggi X . Come i raggi X anche questi raggi anche questi raggi impressionano le lastre impressionano le lastre fotografichefotografiche

Fisica sperimentale: Fisica sperimentale: scoperta dell'elettrone scoperta dell'elettrone nell'esperimento di nell'esperimento di ThomsonThomson (1897) (1897)

Misura del Misura del rapporto carica rapporto carica massa massa dell'elettrone, circa dell'elettrone, circa 2000 piu' grande 2000 piu' grande dello ione dello ione idrogeno (il idrogeno (il protone)protone)

...tra le varie possibilita' ...tra le varie possibilita' Thomson ipotizzo' che la Thomson ipotizzo' che la carica dell'elettrone carica dell'elettrone fosse uguale a quella del fosse uguale a quella del protone e che la sua protone e che la sua massa fosse 1/2000 di massa fosse 1/2000 di quella del protone,quella del protone, primo primo modello dell'atomo modello dell'atomo (1904)(1904)

Atomi radioattivi: Atomi radioattivi: RutherfordRutherford (...Uranio, (...Uranio,

Radio, Polonio, Bario...)Radio, Polonio, Bario...)

Tre tipi di radioattivita' (1902):Tre tipi di radioattivita' (1902):1) raggi alpha : carica positiva, pesanti, fortemente ionizzanti, 1) raggi alpha : carica positiva, pesanti, fortemente ionizzanti, assorbiti in pochi cm di ariaassorbiti in pochi cm di aria

2) raggi beta: carica negativa, identici agli elettroni, penetrano 2) raggi beta: carica negativa, identici agli elettroni, penetrano per qualche decimo di mm in alluminioper qualche decimo di mm in alluminio

3) raggi gamma: neutri, penetrano diversi cm di piombo3) raggi gamma: neutri, penetrano diversi cm di piombo

Esperimento di Rutherford Esperimento di Rutherford (1909): (1909): Idea fondamentale per Idea fondamentale per tutta la fisica delle particelle: tutta la fisica delle particelle: bombardare atomi con bombardare atomi con particelle alpha e studiarne la particelle alpha e studiarne la deflessionedeflessione

« It was quite the most incredible event that has ever « It was quite the most incredible event that has ever happened to me in my life. It was almost as incredible happened to me in my life. It was almost as incredible as if you fired a 15-inch shell at a piece of tissue paper as if you fired a 15-inch shell at a piece of tissue paper and it came back and hit you. On consideration, I and it came back and hit you. On consideration, I realized that this scattering backward must be the result realized that this scattering backward must be the result of a single collision, and when I made calculations I saw of a single collision, and when I made calculations I saw that it was impossible to get anything of that order of that it was impossible to get anything of that order of magnitude unless you took a system in which the magnitude unless you took a system in which the greater part of the mass of the atom was concentrated in greater part of the mass of the atom was concentrated in a minute nucleus. It was then that I had the idea of an a minute nucleus. It was then that I had the idea of an atom with a minute massive centre, carrying a charge. »atom with a minute massive centre, carrying a charge. »

Alpha Alpha stopedstoped

Il nucleo di H e' un Il nucleo di H e' un costituente fondamentale di costituente fondamentale di tutti i nuclei: scoperta del tutti i nuclei: scoperta del ProtoneProtone

Scoperta del neutrone Scoperta del neutrone 1932 Chadwick: con 1932 Chadwick: con semplici considerazioni semplici considerazioni cinematiche il neutrone cinematiche il neutrone deve avere circa la deve avere circa la stessa massa del stessa massa del protone protone

Tutti i nuclei sono composti da protoni e neutroni, Tutti i nuclei sono composti da protoni e neutroni, Fisica NucleareFisica Nucleare

Tutta la materia costituita da: elettroni e nuclei, Fisica Tutta la materia costituita da: elettroni e nuclei, Fisica AtomicaAtomica

Modello atomico di Modello atomico di RutherfordRutherford

...ovviamente non e' la fine della storia...ovviamente non e' la fine della storia

Problema della stabilita' Problema della stabilita' dei nuclei: perche' dei nuclei: perche' l'elettrone non cade sul l'elettrone non cade sul nucleo a causa nucleo a causa dell'emissione di onde dell'emissione di onde EM ?EM ?

Bohr quantization 1913Bohr quantization 1913

… … l'impossibilita' di l'impossibilita' di spiegare gli spettri atomici, spiegare gli spettri atomici, insieme ad innumerevoli insieme ad innumerevoli altri puzzles osservativi altri puzzles osservativi (effetto fotoelettrico, corpo (effetto fotoelettrico, corpo nero, diffrazione degli nero, diffrazione degli elettroni, ecc ecc) elettroni, ecc ecc)

Meccanica quantistica Meccanica quantistica non-relativistica: eq. non-relativistica: eq. Schroedinger 1926 Schroedinger 1926 (Schroedinger, Heisenberg, (Schroedinger, Heisenberg, Pauli, Born, De Broglie...)Pauli, Born, De Broglie...)

… … provando a unificare la teoria della relativita' ristretta e la provando a unificare la teoria della relativita' ristretta e la Meccanica Quantistica:Meccanica Quantistica:

Equazione di Dirac: Equazione di Dirac: 19281928

...tra le altre implicazioni, in questa teoria si ...tra le altre implicazioni, in questa teoria si ottiene “gratis” lo spin e si ottiene “gratis” lo spin e si prevedeprevede l'esistenza l'esistenza

delle delle antiparticelle antiparticelle (stessa massa delle (stessa massa delle particelle ma carica opposta)particelle ma carica opposta)

La scoperta dell'antimateria arriva 5 La scoperta dell'antimateria arriva 5 anni dopo, anni dopo, Anderson, Nobel 1936Anderson, Nobel 1936 (raggi (raggi cosmici, traccia in una cloud chamber, cosmici, traccia in una cloud chamber, stessa massa e valore di carica stessa massa e valore di carica dell'elettrone. L'idea geniale fu di dell'elettrone. L'idea geniale fu di rallentare la particella con un lastra di rallentare la particella con un lastra di piombo in questo modo si poteva piombo in questo modo si poteva determinare la direzione della velocita determinare la direzione della velocita qvBR=mv^2 )qvBR=mv^2 )

...altre antiparticelle , antiprotone nel 1955 Segre' & Chamberlain ...altre antiparticelle , antiprotone nel 1955 Segre' & Chamberlain (Nobel 1959)(Nobel 1959)

Fermi (Nobel 1938):Fermi (Nobel 1938):Esperimenti con neutroni lenti, fissione Esperimenti con neutroni lenti, fissione indotta dei nuclei, Pila di Fermi 1942, indotta dei nuclei, Pila di Fermi 1942, bomba atomica, reattore nucleare.bomba atomica, reattore nucleare.

Padre dell' Interazione debolePadre dell' Interazione debole

Il fatto che l'elettrone emesso in un Il fatto che l'elettrone emesso in un decadimento Beta abbia uno spettro di decadimento Beta abbia uno spettro di energia aveva portato Pauli ad ipotizzare energia aveva portato Pauli ad ipotizzare l'esistenza di una nuova particella, che l'esistenza di una nuova particella, che portasse via la missing energy.portasse via la missing energy. Utilizzando Utilizzando questa ipotesi e l'equazione di Dirac, Fermi questa ipotesi e l'equazione di Dirac, Fermi scrisse la prima lagrangiana per descrivere scrisse la prima lagrangiana per descrivere questa nuova forza responsabile dei questa nuova forza responsabile dei decadimenti beta. Battezzo' inoltre la nuova decadimenti beta. Battezzo' inoltre la nuova particella particella neutrinoneutrino

Reyes & Cowan 1952 , prima Reyes & Cowan 1952 , prima direct detection del neutrinodirect detection del neutrino

Yukawa 1935, introdusse l'idea di una Yukawa 1935, introdusse l'idea di una forza nucleare che tiene insieme i nuclei forza nucleare che tiene insieme i nuclei mediata dallo scambio di una particella. mediata dallo scambio di una particella. Il pione poi scoperto nel 1947 da Lattes, Il pione poi scoperto nel 1947 da Lattes, Occhialini & Powell nei raggi cosmici.Occhialini & Powell nei raggi cosmici.

Oltre ai raggi cosmici gli Oltre ai raggi cosmici gli acceleratori di particelle... dal acceleratori di particelle... dal primo ciclotrone, primo ciclotrone, LawrenceLawrence (Nobel 1939), per arrivare al (Nobel 1939), per arrivare al moderno Large Hadron Collider moderno Large Hadron Collider di Ginevradi Ginevra

f=Bq/(2 Pi m)f=Bq/(2 Pi m)

Particle data group:Particle data group:http://pdglive.lbl.gov/listings1.brl?http://pdglive.lbl.gov/listings1.brl?quickin=Yquickin=Y

Il cosiddetto Zoo di particelle, era imbarazzante si credeva che i Il cosiddetto Zoo di particelle, era imbarazzante si credeva che i protoni neutroni elettroni e neutrini fossero la particelle protoni neutroni elettroni e neutrini fossero la particelle fondamentali come spiegare tutte le altre??fondamentali come spiegare tutte le altre??

Il grande numero di atomi Il grande numero di atomi e la periodicita' delle loro e la periodicita' delle loro proprieta' spiegata dal proprieta' spiegata dal fatto che non sono fatto che non sono fondamentali e indivisibili fondamentali e indivisibili ma formati a loro volta da ma formati a loro volta da protoni-neutroni ed protoni-neutroni ed elettroni cioe' particelle elettroni cioe' particelle “piu' elementari”“piu' elementari”

Una simile idea venne utilizzata nel 1964 da Gell-Mann e Una simile idea venne utilizzata nel 1964 da Gell-Mann e Zweig per mettere ordine nel mondo degli adroni (le particelle Zweig per mettere ordine nel mondo degli adroni (le particelle soggette all'interazione nucleare/forte)soggette all'interazione nucleare/forte)

Quark modelQuark model

… … come i numeri quantici dell'atomo permettono di organizzarne la struttura cosi' in fisica come i numeri quantici dell'atomo permettono di organizzarne la struttura cosi' in fisica adronica vengono introdotti i numeri quantici di isospin e stranezza che permettono di adronica vengono introdotti i numeri quantici di isospin e stranezza che permettono di organizzare le particelle in multipletti.organizzare le particelle in multipletti.

Si possono spaccare gli adroni e isolarne i costituenti??Si possono spaccare gli adroni e isolarne i costituenti??

Esperimenti di deep inelastic Esperimenti di deep inelastic scattering anni '60 (a SLAC ad ex.) scattering anni '60 (a SLAC ad ex.) hanno in effetti mostrato hanno in effetti mostrato l'esistenza dei partoni, particelle l'esistenza dei partoni, particelle elementari quarks e gluoni, elementari quarks e gluoni, confinamento.confinamento.

… … intanto sul versante teorico 1965 Feynmann – Tomonaga – intanto sul versante teorico 1965 Feynmann – Tomonaga – Schwinger prendevano il Nobel per l' Schwinger prendevano il Nobel per l' Elettrodinamica Quantistica Elettrodinamica Quantistica (QED, (QED, una teoria di campo che dava risultati teorici (Lamb shift ad una teoria di campo che dava risultati teorici (Lamb shift ad ex) in accordo con i risultati sperimentali con precisioni relative di ex) in accordo con i risultati sperimentali con precisioni relative di 10^(-8) 10^(-8)

Sul modello della QED vengono costruite le teorie di gauge che Sul modello della QED vengono costruite le teorie di gauge che descrivono l'interazione debole e l'interazione forte.descrivono l'interazione debole e l'interazione forte.

State of the artState of the art

… … ultimo successo del ultimo successo del modello standard, la scoperta modello standard, la scoperta del del bosone di Higgsbosone di Higgs- Luglio - Luglio

20122012

… … fine della Fisica fondamentale??fine della Fisica fondamentale??

Problemi teoriciProblemi teorici

...puzzling observations...puzzling observations

Matter antimatter asymmetryMatter antimatter asymmetry

75% of energy Dark energy, 75% of energy Dark energy, inflaton??inflaton??

Bullet cluster, 22% dark matter Bullet cluster, 22% dark matter (non sappiamo di cosa sia fatta, (non sappiamo di cosa sia fatta, forse particelle SUSY)forse particelle SUSY)