La fisica delle particellea cura della prof.ssa Rosanna Garello

Modello Standard

PARTICELLE MEDIATRICI

Materia ed energia

COSTITUENTI FORZE

LEPTONI QUARK

Il decadimento radioattivoDal nucleo può essere emesso:• un nucleo di elio decadimento a • un elettrone decadimento b• una radiazione elettromagnetica ad alta

frequenza decadimento gLa seguente foto mostra il diverso tipodi penetrazione dei tre fasci di particelle a, b e g.Schema decadimenti abeg

L’ANTIMATERIA

Dato che ad ogni particella elementare corrisponde un’antiparticella, cioè una particella avente la stessa massa, lo stesso spin e la stessa carica, ma di segno opposto, si può pensare di costruire una materia complessa in cui ad ogni particella della materia conosciuta si sostituisce la corrispondente antiparticella con proprietà del tutto simile a quella della materia ordinaria. Quando una particella ed un’antiparticella si incontrano annichiliscono, liberando una quantità enorme di energia. Non è facile realizzare antimateria complessa perché non deve entrare in contatto con la materia ordinaria.

Antiidrogeno

L’antimateria è una predizione teorica di Dirac in quanto, partendo dall’equazione di Einstein relativa all’invariante energia – impulso:

E2 = p2 c2 + m02 c4

osservò che per ricavare l’energia si deve estrarre la radice quadrata di entrambi i membri e i risultati possibili dal punto di vista algebrico sono un valore positivo e uno negativo. Fino a quel momento si era sempre scartata la soluzione negativa perché priva apparentemente di significato fisico, mentre Dirac deduce da essa l’esistenza teorica di particelle con energia negativa.Nel 1932 si ha una prima conferma sperimentale: utilizzando la camera a nebbia di Wilson, facendo interagire i fotoni con una lastra di piombo si generano elettroni e positroni, l’antiparticelle dell’elettrone.Nel 1955 si ottiene l’antiprotone.Nel 1956 si ottiene l’antineutrone.

Per ottenere le particelle di antimateria occorre molta energia oppure si possono ricavare dalle radiazioni cosmiche. Ad esempio il sodio 23 è una sorgente spontanea di positroni.

Schema trappola dell’antiprotone

Una volta generate le antiparticelle occorre intrappolarle e a questo scopo si utilizzano campi elettrici e magnetici, se le particelle sono elettriche si ha difficoltà a misurare le caratteristiche perché le forze elettriche sono miliardi di volte superiori a quelle gravitazionali. Si sperimenta meglio con gli atomi perché sono neutri.

Per generare atomi di antiidrogeno occorrono 10 9 eV, cioè energie molto grandi, si pensi che le energie in gioco nella nostra vita quotidiana sono dell’ordine di qualche elettronvolt, poi si devono ” raffreddare “ e riportare ad energie molto basse dell’ordine 10 6 eV, mediante i deceleratori.

Le trappole sono studiate in modo da raffreddare ulteriormente le particelle di antimateria fino a 102 eV, quando un positrone e un antiprotone si incontrano si ottiene un atomo di antiidrogeno.

I quesiti aperti sono: la luce emessa dall’antiidrogeno è

identica a quella dell’idrogeno ?

Con quale accelerazione di gravità cade un atomo di

antiidrogeno ? Ci si aspetta che sia diversa da 9,81 m/s2 .

Schema produzione dell’antiidrogeno

Si ritiene che nel momento della nascita dell’Universo, il Big Bang, la materia e l’antimateria siano state create in quantità uguali, mentre oggi viviamo in un universo apparentemente fatto interamente di materia. Dov’è finita tutta l’antimateria ?Un tempo si pensava che l’antimateria fosse un “ riflesso “ perfetto della materia: sostituendo la materia con l’antimateria e guardando al risultato in uno specchio non ci si sarebbe accorti della differenza. Oggi sappiamo che quel riflesso è imperfetto e che proprio questo difetto è forse all’origine dello squilibrio fra materia e antimateria.

Tutte le particelle-materia e tutte le particelle-forza se fossero in uno spazio assolutamente vuoto avrebbero massa nulla e quindi si muoverebbero alla velocità della luce, invece alcune sono dotate di massa come gli elettroni, i muoni, i quark, altre no come i fotoni e i gluoni. Come si spiega la differenza delle masse ? Il modello Standard potrebbe avere la risposta in quello che è noto come il meccanismo di HIGGS secondo cui tutto lo spazio sarebbe riempito da un “campo di Higgs “che dà massa a tutte le particelle che interagiscono con esso con una sua specifica intensità, tranne ai fotoni, ai gluoni e ai gravitoni che con tale campo non interagiscono. Se l’ipotesi è corretta devono esistere i “ quanti “ del campo scalare cioè nuove particelle forza dotate di massa dette “ particelle di Higgs “. Con LHC si potrà veder se questa nuova particella esiste.

Il campo di HIGGS