Le particelle elementari Nicolo Cartiglia -INFN Torino1 Le particelle elementari Masterclass Europea...

Nicolo Cartiglia -INFN Torino 1

Le particelle elementari


Masterclass Europeain

Fisica delle Particelle ElementariTeachers’ day – Torino, 18 marzo 2006



Cosa vuol dire studiare “Fisica delle Particelle Elementari” ?

Vuol dire cercare di rispondere a domande tipo:

Di cosa è fatta la materia che ci circonda?

Quale origine hanno le forze che tengono insieme i componenti della materia?



Il riduzionismo e’ il processo fondamentale usato in fisica per la comprensione della realta’:

Le proprieta’ dei sistemi complessi si possono interpretare in termini delle proprieta’ delle parti piu’ semplici che li compongono e delle forze che intervengono a comporli

Riduzionismo



Una proprietà emergente è una proprietà di qualche totalità complessa che non può essere spiegata nei termini delle proprietà delle sue parti.

“Senatores boni viri, senatus autem mala bestia”

Comportamenti emergenti sono spesso invocati in altre discipline tipo le scienze sociali o biologia

Comportamenti emergenti



In fisica delle particelle il “riduzionismo” e’ universalmente accettato.

In biologia (come in altre scienze) la situazione e’ molto meno chiara. Vi e’ un dibattito molto intenso per capire se la soluzione a problemi complessi (cancro, schizofrenia, depressione..) sia trovabile attraverso lo studio del genoma (riduzionismo).

Riduzionismo in altre scienze



L’approccio riduzionista in fisica delle particelle ha portato a moltissimi progressi.

Ogni ulteriore livello di “riduzione” porta con se` una grande quantita’ di informazioni.

Il passaggio da un livello a quello successivo avviene attraverso lo studio di regolarita’ che indicano la presenza di una sotto-struttura

La fisica delle particelle



Sottostrutture

Regolarita’ negli atomi

Regolarita’ nei nuclei



Il cammino degli ultimi 50 anni



Il modello Standard

La teoria che ci aiuta a capire le particelle elementari e’ chiamata Modello Standard

Il modello standard vuole descrivere sia la materia che tutte le forze dell'universo (esclusa la gravità). La sua bellezza consiste nella capacità di spiegare centinaia di particelle e interazioni complesse con poche particelle e interazioni fondamentali.

• Alto potere predittivo• Confutabile• Incompleto



Il modello Standard

Idea chiave:

Ci sono due generi di particelle:

• particelle che sono materia(i quark ed i leptoni)

• particelle che mediano le forze (ogni tipo di interazione fondamentale agisce "mediante" una particella mediatrice di forza)

In seguito la gravita` viene inclusa nella discussione anche se in realta’ non appartiene al modello standard.



u

d

c

s

t

b

e

e

Carica elettrica

+2/3

-1/3

0

-1

quark

leptoni

piu’ pesante

I mediatori:

g gluoni (8)

fotone

W+,W-, Z bosoni

gravitone

Il Modello Standard: le particelle

Fondamentali: queste particelle sono ritenute senza struttura interna (anche se non e` esclusa)

3 generazioni



Le particelle elementari interagiscono tra loro tramite messaggeri,Le forze che conosciamo in natura sono:

Forza gravitazionale:

Forza elettromagnetica:

tiene uniti i protoni e i neutroni nel nucleo anche se di carica uguale e tiene uniti i quark messaggero: gluone

Forza debole: radioattività, attività solare … messaggeri: W e la Z

Caduta dei corpi, moto stellare…messaggero: gravitone

magneti, atomi, chimica…messaggero: fotone

Forza forte:

Il Modello Standard: le forze



Il Modello Standard: materia ed antimateria

Il Modello Standard prevede che per ogni particella di materia ci sia la sua anti-particella.

- i mediatori non hanno le antiparticelle: non esistono gli anti-gluoni o gli anti-fotoni!

- le anti-particelle hanno cariche opposte a quelle delle particelle

- se una particella e la sua anti-particella si incontrano si annichilano



Le forze ed i messaggeriE’ importante sottolineare che nel Modello Standard le

forze agiscono perche’ sono trasmesse da una particella.

Non esistono forze “a distanza” ma affinche’ una forza agisca il suo messaggero deve andare da una particella ad un’altra.

++

Spostati, mi manda uno della tua stessa carica



Le forze e le cariche

Forza Accoppiamento Quantita’

Elettromagnetica Carica elettrica 1

Forte Colore3 (rosso, blu, verde)

Gravita’ Massa 1

I messaggeri delle forze si accoppiano a qualita’ specifiche delle particelle chiamate cariche

Nota: la carica elettrica e’ una sola, che puo` essere positiva o negativa. Per il colore le cariche sono 3 ed anche loro possono essere positive o negative.



Le forze non agiscono su tutte le particelle



La forza di colore

La forza di colore e’ molto diversa dalle altre

• Ci sono 3 cariche (3 colori):

• Lo scambio di un gluone puo` cambiare il colore del quark.

• I gluoni sono colorati, cioe’ sono carichi, e quindi interagiscono tra di loro

g



Interazione di colore

Nota:

• L’interazione cambia il colore dei quark (non sempre) mentre i fotoni non cambiano il valore di una carica

• I gluoni hanno carica, mentre il fotone e’ neutro. Ci sono 8 gluoni, ciascuno porta una unita di colore ed una unita` di anti-colore: RR, GG, BB, BG…



Il fatto che i gluoni interagiscono fra di loro rende la forza forte completamente diversa dalle altre:

aumenta con la distanza!

Due particelle colorate non possano essere separate: piu` le si allontana e piu` la forza aumenta fino a che nelle linee di forza c’e’ cosi’ tanta energia che altre particelle vengono create

Le forza di colore (cont-)

Non si puo` avere una carica di colore libera e quindi tutte le particelle “libere” devono essere bianche



Le forze in natura sono molto diverse tra loro. Vediamo degli esempi di sistemi legati :

Le forze attrattive e repulsive

particella - particella

particella-particella-particella

particella -antiparticella

Elettromagnetica No No Si

Forte No Si Si

Gravita’ Si Si Si



Nel Modello Standard ogni interazione puo` essere descritta in termini di un diagramma e di un numero, la costante di accoppiamento , che descrive quanto quel vertice sia probabile

I “diagrammi” delle forze

gravita’



La somma dei diagrammi permessi generano delle leggi di conservazione.

1. Energia 2. Momento3. Momento angolare4. Carica elettrica5. Carica di colore (quark e gluoni)

6. Numero di quark (numero di quark meno gli antiquark)

7. Numero elettronico (numero di elettroni piu numero di neutrini elettronici meno il numero delle loro antiparticelle)

8. Numero muonico9. Numero tauonico

Queste regole sono assolute, tutte le reazioni devono obbedirle. Ci sono altre leggi obbedite solo dalle interazioni forti

Leggi di conservazione



Forze: tabella riassuntiva

Interazione Mediatore Forza Raggio Vita media

EM g 1/137 Infinito 10 - 20

Weak W, Z 10 - 6 10 - 18 m 10 - 8

Strong G 110 – 15 m

10 - 23

Gravity g 10 - 39 Infinito Infinito

In caso di competizione vince la forza che agisce prima!



Il Modello Standard descrive l’interazione tra due particelle, non il comportamento di un sistema complesso quale un atomo.

Per spiegare sistemi a “multicorpi” si usano strumenti diversi che descrivono in modo globale il comportamento di molte particelle.

Esempio tipico e’ la termodinamica: nessuno usa le equazioni del Modello Standard per spiegare il comportamento di un gas:

PV = nRT

Interazioni tra molte particelle



s

e

Raggi cosmici

c t

b

I mediatori:

g gluoni (8)

fotone

W+,W-, Z bosoni

Si possono produrrein laboratorio

u

d

e

La materia di cui siamo fattie’ della I generazione

Particelle: comuni e rare



quark

Einstein: E=mc2 la massa si può trasformare in energia e viceversa.

Attraverso urti tra particelle si possono creare altre particelle: l’energia delle particelle viene trasformata in materia!

Come si creano le particelle in laboratorio?

protone

protone



Se negli urti si usano particelle ed anti-particelle non solo l’energia del moto e’ disponibile per creare nuove particelle ma anche la massa delle particelle entranti

Anti-materia al lavoro

Un quark ed un anti-quark si annichilano e formano nuove particelle



I decadimenti

Le particelle piu` pesanti (sia elementari che composte) decadono in particelle piu` leggere

e

e

W

I decadimenti avvengono seguendo le regole (per esempio la conservazione della carica)

descritte dal Modello Standard



s

c t

b

u

d

Lo zoo delle particelle: adroniNegli urti si creano centinaia di particelle

che sono in realta` stati legati:

Barioni (qqq): p,n Mesoni (q-anti q):



Simmetrie nella fisica delle particelle

Le particelle prodotte negli urti possono essere “catalogate” in famiglie:

evidenza di sottostruttura!

Queste simmetriesono state usate per predire particellemancanti

K0

K+

π+

¯K0

K-

Π-

π0

; η

S= -1

S= 1

Q=0

Q=1

Q=-1

S= 0



Simmetrie (cont-)

Le simmetrie sono anche una guida nella ricerca di nuovi fenomeni. La scoperta dei quark ne e’ un’esempio:

s

u

dSituazione iniziale:

t1995 !

c

1974

b1977



Due grandi gruppi: fermioni e bosoniIl valore dello spin determina differenze fondamentali tra le particelle. Se lo spin e’ intero allore le particelle sono bosoni, altrimenti fermioni



Fermioni e BosoniI fermioni rispettano il Principio di esclusione di Pauli:

Non possono esistere nello stesso posto nello stesso tempo due particelle nello stesso stato (identico spin, identica carica di colore, identico momento angolare, etc.)

I fermioni sono come noi (non ci possiamo sedere in un posto al cinema gia’ occupato) mentre le particelle sorprendenti sono i bosoni per cui c’e’ sempre posto al ristorante…

Un camion porta-bosoni:



Fermioni e Bosoni (cont-)

Effetti fermionici:

I livelli energetici degli elettroni negli atomi (gli orbitali) si popolano perche’ gli elettroni (che sono fermioni) non possono stare tutti nel livello piu` basso

Effetti bosonici:

Il laser, sovrapposizione coerente di fotoni, puo` capitare solo perche’ i fotoni sono bosoni



Come si studiano le particelle elementari?

Le particelle si studiano misurandone:

• la massa• la carica• la vita media • lo spin (la “velocita’ ” di rotazione)• gli stati eccitati

Gli adroni (fatti da quark) si catalogano a seconda della loro composizione interna e momento angolare. Sono stati trovati piu` di duecento adroni.

Purtroppo ultimamente non si sono piu` trovate particelle inaspettate…



Stati eccitati delle particelle elementari

Cosi’ come e’ capitato per l’atomo lo studio dei livelli eccitati di una particella e’ di grande aiuto per capirne la sua dinamica interna.

Consideriamo la particella J/Psi, stato legato formato dal quark c – antiquark c:

Lo studio di questi livelliaiuta la comprensione dellateoria del colore.



Come si calcola un processo nel Modello Standard?

Il primo passo per calcolare un processo e’ scrivere il “diagramma di Feynman” corrispondente. Dopodiche si calcolano i termini. Vediamo degli esempi di diagrammi:

Decadimento del neutrone Decadimento del pione

Ogni vertice e linea interna ha una certa probabilita’.



Da dove viene la massa delle particelle composte (adroni)?

Il protone e’ composto da 3 quark: uudLa somma delle masse dei quark uud e’ molto piu` piccola dalla massa del protone:

La differenza di massa e’ dovuta alle interazioni tra i quark. Anche se in teoria si sanno calcolare queste interazioni, in pratica non si riescono ad ottenere le masse degli adroni.



Le particelle forza Massa

g gluoni (8) 0

fotone 0

W+,W-, Z bosoni 80/90

GeV

u

d

c

s

t

b

e

e

Massa (

GeV

)

~0.001 ~1.5 ~180

~0.001 ~0.1 ~4.5

~0. ~0. ~0.

~0.0005 ~0.100 ~1.7

Il modello standard non predice lemasse delle particelle. I valori delle masse sono stati misurati sperimentalmente

Da dove viene la massa delle particelle fondamentali?



La massa delle particelle fondamentali

Colpiamo con la forza di un Newton due palle di massa molto piccola,una quasi liscia ed una rugosa, posate su di un tappeto soffice. Ne misuriamo l’accelerazione:

a = 1 m/s2

a = 0.5 m/s2

1 N

Calcoliamone la massa assumendo che non ci sia attrito:

= 1 Kg

= 2 Kg

Assunzione sbagliata

Rispostasbagliata



La massa (cont-)

Trasportiamo quest’esempio alle particelle elementari. Consideriam il quark top e l’elettrone:

Il quark top pesa circa 300.000 volte piu` dell’elettrone.

Nel modello standard entrambe hanno massa nulla!

Sembrano che abbiano massa perche` si muovono (con fatica) interagendo con il campo di Higgs

Elettrone

Top

Campo di Higgs



La massa (cont -)

Idea chiave:

Nel Modello Standard le particelle non hanno massa.

La massa e’ una proprieta’ che viene acquisita attraverso l’interazione con il bosone di Higgs: sembrano avere massa perche` interagiscono con il bosone di Higgs e diventano piu` difficili da spostare.



La domanda attuale: esiste il “Bosone di Higgs” ?

Al momento non abbiamo nessuna evidenza sperimentale dell’esistenza del bosone di Higgs…..

E’ possibile che la teoria sia giusta e che il bosone di Higgs venga misurato ad LHC, la prossima macchina in costruzione al CERN di Ginevra.

E’ anche possibile che la teoria non sia giusta e che non si trovi niente.



Problema ulteriore

Supponiamo di trovare il bosone di Higgs: straordinario successo della teoria, finalmente sappiamo perche` abbiamo massa (anche troppa):

Bosone di Higgs dieta

Domanda: perche’ l’elettrone si accoppia meno del quark top con il bosone di Higgs ed e’ quindi piu` leggero?

Tristemente non abbiamo una risposta a una domanda cosi` ovvia



Ulteriori problemi

Nel Modello Standard ci sono molte altre cose che non capiamo

Per esempio:

• Perche le generazioni sono 3? C’e’ una sottostruttura?• Perche le masse sono quelle che sono?• Dov’e’ finita l’antimateria creata nel Big-Bang?• Dove la mettiamo la gravita’?

La soluzione a questi ed altri problemi non la si sa. La possibilita’ piu` accettata al momento e’ che il Modello Standard sia solo una parte di una teoria piu` grande chiamata la “Supersimmetria”



La SupersimmetriaLa “Supersimmetria” risolve molti problemi teorici ed introduce per ogni particella nota un compagno “supersimmetrico”

Putroppo fino ad adesso nessuna particella supersimmetrica e’ stata trovata…..



Grande unificazione

Il sogno finale e’ di avere un’unico modello che spiega “tutto”.Queste teorie vengono chiamate GUT, Teorie di Grande Unificazione.

Il primo passo e’ stato fatto…

Direzionedella ricerca

Livello attuale



Conclusioni

La fisca delle particelle e’ in un momento di transizione:

• Si e’ dimostrata la validita’ del Modello Standard ma sappiamo che e’ solo un’approssimazione

• Tutte le ricerche di effetti non inclusi nel Modello Standard si sono rivelate infruttuose

• Il prossimo acceleratore, quasi pronto al CERN, potrebbe portare moltissime novita`

•Mandateci tanti studenti bravi…..

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