LE QUATTRO FORZE FONDAMENTALI

Alunni: Martina, Paola, Monica, Ahmed Classe 1A Alberghiero – Porto Sant’Elpidio (FM)

Tutor: prof. Pierluigi Stroppa

La forza nucleare

forte

Obiettivi di conoscenza e competenza

•Sapere a che serve l’acceleratore di Ginevra

•Approfondire la conoscenza della forza nucleare forte•Sapere che con gli esperimenti si possono creare nuove particelle

•Sapere la struttura dell’atomo e delle particelle che lo costituiscono

•Conoscere le particelle che costituiscono l’atomo

•Conoscere le 4 forze fondamentali

•Conoscere i diversi tipi di quark che costituiscono i nucleoni

Obiettivi di abilità• Collegare una forza fondamentale ai fenomeni

macroscopici che provoca

• Costruire un modello per rappresentare l’interno dell’atomo

• Evidenziare il legame tra l’evoluzione dell’universo e la forza nucleare forte

• Saper organizzare una videopresentazione per un convegno

Metodologia

• Lezioni frontali partecipate con uso di campioni

• Lavori di gruppo, role playing

• Invito alla produzione di videopresentazioni

• Ricerche bibliografiche e navigazione in rete

Mezzi e strumenti

• Libri di testo e riviste scientifiche

• Personal computer e videoproiettore

• Laboratorio scientifico

• Macchina fotografica digitale e videocamera

• Lavagne d’ardesia, magnetica e luminosa

• Minerali, calamite, bussole

• Modelli e poster

LE QUATTRO FORZE FONDAMENTALI

Sono la forza forte, quella debole, la elettromagnetica e la forza di gravitazione

La forza nucleare forte (FNF)

• Agisce nel nucleo dell’ atomo, all’interno dei protoni e dei neutroni

• Ha la proprietà del confinamento*, cioè nei barioni (protoni e neutroni) sono presenti come triplette

• È veicolata dai gluoni (dall’inglese “glue” che significa colla) che tengono insieme i Quark dentro i protoni e i neutroni

* Dato che sinora gli scienziati non sono riusciti a separare le terne di Quark, hanno coniato per essi la proprietà del “confinamento”

Le particelle fondamentali della materia

• La materia ordinaria è formata dai leptoni e quark

• Nella prima famiglia (o generazione) di particelle i leptoni sono il neutrino elettronico e l’elettrone

• Nella primafamiglia di particelle iQuark sono

upe down

Organizzazione dei Fermioni

Nome 1a

generazione

2a generazion

e

3a generazion

e

Quark

Up Charm Top

Down Strange Bottom

Leptoni

Neutrinoelettronico

Neutrinomuonico

Neutrinotauonico

Elettrone Muone Tau

Secondo il modello standard, tutta la materia ordinaria che osserviamo nel mondo macroscopico è costituita da quark e leptoni. …

.. infatti è costituita da atomi che sono a loro volta composti da un nucleo ed uno o più elettroni, che sono i più leggeri tra i leptoni carichi. ..

…… il nucleo è costituito a sua volta da protoni e neutroni che sono composti ciascuno da tre quark.

Sopra l’interno di un protone

Sopra l’interno di un neutrone

• Infine le particelle mediatrici delle forze risultano essere tutte bosoni.

La Qcd = Quantum chromo-dynamic

La Qcd (dall’inglese Quantum chromo-dynamic ) ocromodinamica quantistica, è la teoria che descrive anche il“colore” dei quark.

I quark vanno combinati in modo che il colore complessivo sia

nullo… (rosso + verde + blu) ciò significa che devono trovarsi

“confinati” all’interno di particelle “bianche”. Le particelle mediatrici dei quark, i gluoni, risentono dei colori

dei quark… questa interazione si chiama “forza di colore” e la

teoria che la descrive è la Qcd

Curiosità: il Quarkoscopio

• Il quarkoscopio è uno strumento fabbricato dall’ AMA (associazione marchigiana astrofili di Ancona).

• Con esso si possono vedere i quark che sono nei protoni e nei neutroni.

• A lato il quarkscopio indica la

struttura del protone

I quark up e down

• Le tre famiglie di quark prevedono ciascuna un quark di carica +2/3 ed uno di carica -1/3.

• I quark più leggeri sono up (u) e down (d), che combinati secondo lo schema uud formano il protone (di carica +2/3 +2/3 -1/3 = 1), mentre combinati secondo lo schema udd formano il neutrone (di carica +2/3 -1/3 -1/3 = 0).

Com’ è fatto un protone?Il protone è formato da tre quark: uno di colore rosso (chiamato up); uno di colore blu (chiamato up); uno

dicolore verde (chiamato down). Questi ultimi possiedonorispettivamente, carica elettrica +2/3 e -1/3. La carica elettrica +1 del protone si ottiene, quindi,combinando due quark up e un quark down:

Carica +2/3 +2/3 -1/3 = +1

Com’ è fatto un neutrone?

Il neutrone, invece, è privo di carica elettrica;Esso infatti è formato da due quark down euno up (-1/3 -1/3 +2/3 = 0).

Le particelle della seconda e terza famiglia

• Queste particelle esistevano subito dopo il Big Bang. Ora si trovano solo nei raggi cosmici e vengono prodotte negli acceleratori di particelle.

Organizzazione dei Fermioni

Nome 2a

generazione3a

generazione

Quark

Charm Top

Strange Bottom

Leptoni

Neutrinomuonico

Neutrinotauonico

Muone Tau

Un esperimento particolare: il QGP

• Il QGP (Quark Gluon Plasma)

Il QGP è lo stato dellamateria che esistevaprobabilmente pocodopo il big bang e pocoprima la formazionedei protoni e deineutroni (vedi immagine alato, da Zullini & Scaioni)

QGP

OTTENERE Il QGP (Quark Gluon Plasma)

• Per ottenere il QGP si dovranno scegliere come proiettili degli ioni (nuclei privi di elettroni) pesanti, cioè contenenti molti protoni e neutroni (e dunque molti quark e gluoni). Ad esempio il Piombo che ha 82 protoni e 126 neutroni.

• Gli ioni vengono accelerati a velocità relativistiche e poi fatti collidere. Si può così creare una zona “calda” e “densa” nella quale vengono riprodotti i valori di temperatura necessari per formare il QGP.

OTTENERE Il QGP (Quark Gluon Plasma)

• Si dovrà raggiungere la temperatura di duemila miliardi di gradi (100.000 volte la temperatura all’ interno del sole!).

• In ALICE si studieranno le collisioni tra due fasci di ioni di Piombo, accelerati dal collider LHC in direzioni opposte, e poi fatti collidere frontalmente.

Problemi tecnici

• *Un’interazione PbPb all’energia di LHC produrrà migliaia di particelle

• *Notevoli difficoltà tecniche per progetto/realizzazione dei rivelatori che dovranno identificare e realizzare tali particelle

Problemi concettuali

• * Il QGP ha una “vita” effimera; durante questa breve vita si verificano dei processi di espansione e raffreddamento che provocano una transizione verso particelle “ordinarie” (non colorate). Queste, dopo una fase relativamente più lunga di interazioni reciproche, “ volano” verso i rivelatori.

• * Sono queste le particelle che vediamo nei nostri rivelatori e NON i quark e i gluoni del Quark-Gluon Plasma. Occorre pertanto identificare dei segnali univoci dell’avvenuta formazione (per brevissimi istanti) del QGP.

BIBLIOGRAFIA• Nicola Dallaporta (1986), “sguardo sull’attuale cosmologia” ed. Borla

• Franc Wilczek (2010), “la leggerezza dell’essere. La massa, l’etere e l’unificazione delle forze” ed. Mondadori

• Ippolita Martellotta & Rosa Anna Rizzo (2009): “English for Science, facing the future” lingue Zanichelli

• Aldo Conti & Lino Miramonti “una particella molto sfuggente”, in quark album cacciatori di neutrini. A cura dell’INFN

• Antonio Masiero & Massimo Pietroni “Il lato oscuro dell’Universo” in “La materia oscura” collana “asimmetrie” anno 2 n°4-giugno 2007. A cura dell’INFN

• Angela Bracco “Al cuore della materia” in “Nuclei e stelle” collana “asimmetrie” anno 4 n°9-settembre 2009. A cura dell’INFN

• Alberto Del Guerra “Antimateria al lavoro per la salute” in “antimateria” collana “asimmetrie” anno 3 n°7-ottobre 2008. A cura dell’INFN

• Nicola Cabibbo “Le interazioni deboli” in “la lunga caccia al neutrino” collana “asimmetrie” anno 2 n°3 - dicembre 2006. A cura dell’INFN

• A.Zullini e U.Scaioni “scienze della terra”, edizioni ATLAS

• Poster INFN 1951-2001, “50 anni di ricerca italiana alla frontiera della scienza e della tecnologia”

• Autori vari “fisica, gli scienziati delle forze fondamentali e il loro istituto”

• Stephen Hawking, 1988, “A brief history of time, from the Big Bang to Black Holes”

• F.Bagatti & alii (2.000) “elementi di chimica, sezione C: dalla struttura dell’atomo ai legami chimici”.

• Luca Novelli (2007), “Einstein e le macchine del tempo”, in lampi di genio, ed. scienza.

SITOGRAFIA

• www.wikipedia

• www.pierluigistroppa.altervista.org

• www.infn.it

• www.asimmetrie.it

• www.cern