Masterclass 2011Masterclass 2011

Introduzione al corsoIntroduzione al corso

Danilo DomeniciDanilo Domenici

Laboratori Nazionali di Frascati INFNLaboratori Nazionali di Frascati INFN

La fisica delle particelle è la branca della fisica che studia i costituenti fondamentali

e le interazioni fondamentali della materia.

Talvolta viene anche usata l’espressione fisica delle alte energie, quando si vuole

far riferimento allo studio delle interazioni tra particelle elementari che si verificano ad altissima energia che permettono di

creare particelle non presenti in natura in condizioni ordinarie, come avviene negli

acceleratori di particelle.

Fisica delle ParticelleFisica delle Particelle

Wikipedia

E’ possibile ricondurre l’intera realtà conosciuta ad un piccolo numero di componenti fondamentali interagenti

tra loro attraverso poche leggi note?

Ma che significa “fondamentale”?Ma che significa “fondamentale”?

Per Aristotele e i greci antichi fondamentali erano i 4 elementi: Aria,

Terra, Acqua e Fuoco

fondamentale = a fondamento della

natura

fondamentale = indivisibile, non costituito da niente di più piccolo

ατομοςDemocrito nel 400 a.C.

ipotizza che tutta la materia sia costituita da particelle

fondamentali

I 92 atomi conosciuti sono classificati in base al Numero atomico (Z) La regolarità delle loro proprietà chimiche indica che devono essere costituiti da qualcosa di più

piccolo (carica elettrica)

Mendeleev nel 1869 introduce in Chimica la Tavola Periodica degli

Elementi

Gli atomi sono costituiti da:

• Un nucleo elettricamente positivo, con una carica uguale al suo Numero atomico

• Una nube elettronica elettricamente negativo che bilancia la carica nucleare e rende l’atomo elettricamente neutro

Rutherford, 1905: Modello planetario dell’atomo

Gli orbitali esterni determinano il legame

chimico. Atomi con orbitali esterni simili occupano posizioni simili nella tavola

periodica

Esperimento di Rutherford

Esperimento di Rutherford

Il nucleo era piccolo, solido e denso: sembrava veramente

fondamentale.

Solo nel 1932 si capì che era invece costituito da protoni e

neutroniJ. Chadwick

Oggi sappiamo che neanche

protoni e neutroni sono

fondamentali, ma costituiti da

quark

Gell-Mann, 1963. I QuarkGell-Mann, 1963. I Quark

In un protone ci sono 3 quark:

2 di tipo UP, 1 di tipo DOWN

Oggi, dopo anni di test sperimentali,

siamo convinti che i quark siano

finalmente particelle fondamentali

indivisibili

u

ud

Tutte le particelle note (sono

centinaia!) si ottengono da

combinazioni di quark

6 Quark6 Quark

6 Quark6 Quark

La figura non è in scala: se facessimo i protoni e i neutroni di 1cm tutto l’atomo sarebbe largo quanto 30 campi di calcio! L’atomo è vuoto!!!

La struttura dell’atomoLa struttura dell’atomo

Che cosa tiene insieme queste particelle?

Che cosa tiene insieme queste particelle?

L’universo esiste perché le particelle elementari

interagiscono. Queste interazioni includono l’attrazione, la repulsione, il

decadimento e l’annichilazione

Ci sono 4 interazioni fondamentali tra le particelle,

e tutte le forze nell’universo sono causate da queste 4

interazioni!

• Forza Elettromagnetica: tiene insieme gli atomi

• Forza Forte: tiene insieme i nuclei

• Forza Debole: fa trasformare i nuclei

• Forza Gravitazionale: tiene insieme le galassie

I fisici hanno sviluppato una teoria che spiega di cosa è fatto il mondo e che cosa lo tiene insieme. E’ una teoria semplice che spiega centinaia di particelle e complesse interazioni con solo:• 6 quark (u,d,s,c,b,t)• 6 leptoni (e,µ,τ,νe,νµ,ντ)• 3 interazioni (forte, elettromanetica e debole)

In realtà le cose sono un po’ più complicate...• c’è anche l’anti-materia: 6 anti-quark e 6 anti-leptoni• le interazioni si riducono a 2: forte (o adronica) e elettro-debole• le forze sono veicolate da 4 particelle, dette bosoni: gluone (forza forte), fotone, W, Z (per la forza elettro-debole)

Il MS è una buona teoria. E’ stato confermato sperimentalmente con grandissima precisione e (quasi) tutte le particelle predette

sono state trovate. Ma non spiega la Gravità

Il Modello StandardIl Modello Standard

HHiggs boson

??

P. Higgs

u c t

d s b

e

e

g

W Z

H

MATERIA FORZE

Quark

Leptoni

Bosoni di Gauge

Bosone di Higgs ?

Il Modello Standard delle Particelle e delle

Interazioni

Per ogni particella esiste anche la corrispondente particella di antimateria.

L’antiparticella è uguale alla particella con carica di segno opposto.

L’antimateria viene creata comunemente negli acceleratori di particelle. Però l’Universo osservato è interamente

composto di materia.

AntimateriaAntimateria

P. Dirac 1920 C.

Anderson 1964

Fisica ClassicaFisica

Classica

Meccanica QuantisticaMeccanica Quantistica

Relatività SpecialeRelatività Speciale

Piccole dimensioni

Grandi velocita’F = ma

E = mc2

λ = h/p

2 nuove teorie sviluppate all’inizio del ‘900

2 nuove teorie sviluppate all’inizio del ‘900

Meccanica Classica

Meccanica ClassicaF = ma

2 nuove teorie sviluppate all’inizio del ‘900

2 nuove teorie sviluppate all’inizio del ‘900I. Newton

Meccanica QuantisticaMeccanica Quantisticaλ = h/p

Relatività SpecialeRelatività Speciale

E = mc2

• dualità onda-parrticella• natura probabilistica della realtà

• abbandono del tempo assoluto• equivalenza massa-energia

• Perché nell’Universo osserviamo principalmente materia e pochissima antimateria?

• Cosa è la “materia oscura” che ha effetti sulla forma dell’Universo?

• Perché il Modello Standard non predice le masse delle particelle?

• Quark e leptoni sono fondamentali o sono fatti di particelle ancora più piccole?

• Perché ci sono proprio 3 famiglie di fermioni?

• Come si inserisce la Gravità in tutto questo?

Questioni aperte del Modello Standard

Questioni aperte del Modello Standard

Struttura del corsoStruttura del corso

• Un excursus teorico sulla moderna fisica delle particelle e sui suoi problemi ancora irrisolti (G. Isidori)

• Cenni sugli acceleratori di particelle (C. Milardi)

• Cenni sui rivelatori di particelle (D. Domenici)

• Un esempio interattivo di analisi dei dati di un moderno rivelatore (P. Di Nezza, M. Dreucci)

• Un seminario sul più grande acceleratore del mondo: LHC al CERN (P. Campana)

Il corso comprende:

BUON PROSEGUIMENTO !BUON PROSEGUIMENTO !