Michelangelo ManganoMichelangelo Mangano

Theoretical Physics DivisionTheoretical Physics Division

CERN, GenevaCERN, Geneva

PERCHE’ STUDIAMO PERCHE’ STUDIAMO LA LA

FISICA DELLE FISICA DELLE PARTICELLE?PARTICELLE?

Incontri LNF per gli insegnanti2002

ProgrammaProgramma

Concetti fondamentaliConcetti fondamentali Legame della FdP con altri rami della Legame della FdP con altri rami della

FisicaFisica Osservabili e grandezze fondamentaliOsservabili e grandezze fondamentali Valore didattico della FdP, e possibili Valore didattico della FdP, e possibili

applicazioni nell’insegnamento licealeapplicazioni nell’insegnamento liceale

La FdP affronta le domande La FdP affronta le domande fondamentali della storia del fondamentali della storia del

pensieropensiero

Quali sono i Quali sono i componenti ultimi componenti ultimi della materia?della materia?

Che cosa `li muove’?Che cosa `li muove’? Come `si muovono’?Come `si muovono’?

Da dove viene Da dove viene l’Universo?l’Universo?

Come funziona? Come funziona? Dove va?Dove va?

Livello 0: come? cosa?Livello 0: come? cosa?

Esistono mattoni fondamentali?Esistono mattoni fondamentali? Se si’, cosa sono?Se si’, cosa sono? Come interagiscono?Come interagiscono? Come determinano le proprieta’ Come determinano le proprieta’

dell’Universo?dell’Universo?

Livello 1: perche’?Livello 1: perche’?

Perche’ esistono mattoni Perche’ esistono mattoni fondamentali?fondamentali?

Perche’ interagiscono cosi’?Perche’ interagiscono cosi’? Perche’ viviamo in 3+1 dimensioni?Perche’ viviamo in 3+1 dimensioni? Esistono alternative?Esistono alternative? …………..

Perche’ `qualcosa’ invece che `niente’?Perche’ `qualcosa’ invece che `niente’?

Risultati principaliRisultati principali

Semplicita’Semplicita’ (dei costituenti, delle (dei costituenti, delle interazioni): la complessita’ emerge interazioni): la complessita’ emerge dalla varieta’ delle combinazionidalla varieta’ delle combinazioni

Unita’Unita’ (delle leggi di interazione) (delle leggi di interazione) Unicita’Unicita’ (degli elementi): ` a proton (degli elementi): ` a proton

is a proton is a proton’is a proton is a proton’ Unicita’Unicita’ (delle leggi fondamentali): (delle leggi fondamentali):

indipendenza dal luogo, tempo e indipendenza dal luogo, tempo e condizionicondizioni

I componenti I componenti fondamentalifondamentali

UU D

UD D

protone

neutrone

elettrone

neutrino

Le interazioni (o forze)Le interazioni (o forze)

Responsabili per:Responsabili per: Stati legati (E<0):Stati legati (E<0):

Terra -LunaTerra -Luna Elettroni-NucleoElettroni-Nucleo

Diffusione (E>0):Diffusione (E>0): Moto di un elettrone in un metalloMoto di un elettrone in un metallo Propagazione della lucePropagazione della luce

Cambiamenti di stato:Cambiamenti di stato: Decadimenti (n->p e neutrino) Decadimenti (n->p e neutrino)

Le interazioni Le interazioni fondamentalifondamentali

FORZAFORZA SENSIBILSENSIBILE A:E A:

MEDIATOREMEDIATORE::

ElettromagnetisElettromagnetismomo

Carica Carica elettricaelettrica Fotone Fotone

Forza deboleForza deboleCarica Carica

`debole’`debole’WW+ W- Z0

Forza `forte’Forza `forte’ `Colore’`Colore’ gluonegluone

Gravita’Gravita’ EnergiaEnergia gravitonegravitone

Ruolo della teoria della Ruolo della teoria della Relativita’Relativita’

Le particelle elementari hanno masse Le particelle elementari hanno masse talmente piccole che energie modeste, talmente piccole che energie modeste, raggiungibili nell‘Universo anche al di fuori raggiungibili nell‘Universo anche al di fuori dei laboratori, possono accelerarle a velocita’ dei laboratori, possono accelerarle a velocita’ prossime a quelle della luce. Gli prossime a quelle della luce. Gli effetti effetti relativisticirelativistici sono dunque essenziali, e la sono dunque essenziali, e la descrizione dei loro comportamenti deve descrizione dei loro comportamenti deve essere consistente con i principi della essere consistente con i principi della relativita’ specialerelativita’ speciale

In particolare, il modello delle interazioni deve In particolare, il modello delle interazioni deve rispettare il principio che le forze non possono rispettare il principio che le forze non possono trasmettersi trasmettersi istantaneamenteistantaneamente a distanza a distanza

Rappresentazione delle Rappresentazione delle interazioniinterazioni

tt

Standard Model Standard Model InteractionsInteractions

ee

nunu WW

ee

ee

fotone, fotone, ZZ

nunu

nunu ZZ

qq

q’q’WW

qqFotone, Fotone, gluone, gluone, ZZ

qq

Proprieta’ delle Proprieta’ delle interazioniinterazioni

• Localita’Localita’ (proprieta’ dell’interazione (proprieta’ dell’interazione dipendono solo dalle properieta’ dei dipendono solo dalle properieta’ dei partecipanti in un punto)partecipanti in un punto)

• Causalita’Causalita’ (l’effetto segue la causa, e (l’effetto segue la causa, e non puo’ manifestarsi prima del tempo non puo’ manifestarsi prima del tempo impiegato dalla luce a percorrere la impiegato dalla luce a percorrere la distanza fra effetto e causa)distanza fra effetto e causa)

• Universalita’ Universalita’ (l’interazione fra due (l’interazione fra due particelle fattorizza in termini delle particelle fattorizza in termini delle proprieta’ indipendenti delle singole proprieta’ indipendenti delle singole particelle)particelle)

Esempi Esempi di di

processi processi

DecadimeDecadimento nto del del neutroneneutrone

Decadimento Decadimento del leptone mudel leptone mu

P

P’

q

L’energia non puo’ essere conservata in una transizione di questo tipo! Solo la meccanica quantistica puo’ permetterla, imponendo una durata massimaa questo stato in accordo con il principio di indeterminazione: ∆ ∆E ∆t > h/2πE ∆t > h/2π

Ruolo della meccanica quantistica I

Se PSe P00=mc, e visto che P=mc, e visto che P00’≥mc e q’≥mc e q00>0, >0,

PP0 0 < P< P0’0’+q+q00

Ruolo della meccanica Ruolo della meccanica quantistica IIquantistica II

P

P’

q

In alternativa, In alternativa, P=P’+q P=P’+q

e => e => qq22<0<0PP2 2 = P’ = P’ 2 2 = m= m22

La relativita’ speciale fa si’ che stati virtuali abbiano E>0 o La relativita’ speciale fa si’ che stati virtuali abbiano E>0 o E<0 a seconda E<0 a seconda del sistema di riferimento. L’esistenza di stati con E<0 del sistema di riferimento. L’esistenza di stati con E<0 conduce conduce all’introduzione di all’introduzione di antiparticelle.antiparticelle.

Stati con qStati con q22<0 si chiamano<0 si chiamano virtualivirtuali. . La La loro esistenza e’ limitata a tempi loro esistenza e’ limitata a tempi consistenti con il principio di consistenti con il principio di Indeterminazione.Indeterminazione.

L’esistenza di antiparticelle (per es. eL’esistenza di antiparticelle (per es. e++) e` cruciale ) e` cruciale nella realizzazione degli esperimenti di FdP moderni!nella realizzazione degli esperimenti di FdP moderni!

Ruolo della meccanica quantistica IIIee

ee

mumu

mumu

qq

qq

L’universalita’ degli L’universalita’ degli accoppiamenti accoppiamenti impedisce impedisce di predirre con di predirre con certezza il certezza il risultato di una risultato di una reazione.reazione.

Diversi stati finali sono Diversi stati finali sono possibili, ed appaiono possibili, ed appaiono con con probabilita’probabilita’ relative relative calcolabili secondo le calcolabili secondo le leggi della meccanica leggi della meccanica quantisticaquantistica

Ruolo della FdP in Ruolo della FdP in CosmologiaCosmologia

L’universalita’ delle L’universalita’ delle leggi di interazione leggi di interazione (indipendenza da luogo (indipendenza da luogo e tempo) di permette e tempo) di permette di estrapolare indietro di estrapolare indietro (ed avanti) nel tempo(ed avanti) nel tempo

E’ cosi’ possibilie E’ cosi’ possibilie ricostruire gli eventi ricostruire gli eventi della storia della storia dell’Universo fino a dell’Universo fino a tempi dell’ordine di 10tempi dell’ordine di 10--

10 10 sec dopo il Big Bangsec dopo il Big Bang

Come si impara qualcosa Come si impara qualcosa da immagini come da immagini come

questa?questa?

Osservabili e grandezze Osservabili e grandezze fondamentali fondamentali

MassaMassa:: Oggetti composti -> orgine dinamica, calcolabileOggetti composti -> orgine dinamica, calcolabile Oggetti fondamentali -> origine ???Oggetti fondamentali -> origine ??? Misura: in decadimenti: P=∑ pMisura: in decadimenti: P=∑ pii , M , M22=P=P22

CaricaCarica:: Ci che tipo (elettrica, debole, forte)?Ci che tipo (elettrica, debole, forte)? Altre??? Origine???Altre??? Origine??? Misura: intensita’ dell’interazioneMisura: intensita’ dell’interazione

SpinSpin (momento angolare intrinsico): (momento angolare intrinsico): Intero -> bosoni, Semiintero -> fermioniIntero -> bosoni, Semiintero -> fermioni Assieme al principio di indeterminazione =>stabilita’ Assieme al principio di indeterminazione =>stabilita’

della materia!!!della materia!!! Origine ???Origine ??? Misura : distribuzioni angolari in processi di diffusione Misura : distribuzioni angolari in processi di diffusione

o decadimentoo decadimento

Questioni legate alle grandezze Questioni legate alle grandezze fondamentalifondamentali

Meccanica Quantistica e Relativita’ ordinano Meccanica Quantistica e Relativita’ ordinano che queste e solo queste siano le proprieta’ che queste e solo queste siano le proprieta’ fondamentali di particelle puntiformi. Ma non fondamentali di particelle puntiformi. Ma non ne determinano in modo univoco i ne determinano in modo univoco i valorivalori

Principi di simmetria stabiliscono dei vincoli:Principi di simmetria stabiliscono dei vincoli: Conservazione della carica => M(fotone)=0Conservazione della carica => M(fotone)=0 Conservazione della chiralita’ => M(neutrino)=0Conservazione della chiralita’ => M(neutrino)=0

Ma a volte le simmetrie sono rotte, ed i vincoli persiMa a volte le simmetrie sono rotte, ed i vincoli persi

Le difficolta’ della Le difficolta’ della ricercaricerca

Identificare le domande rilevantiIdentificare le domande rilevanti Capire se queste ammettono rispostaCapire se queste ammettono risposta Identificare gli strumenti matematici in Identificare gli strumenti matematici in

grado di fornire la rispostagrado di fornire la risposta Confrontare con il compito assegnato ad Confrontare con il compito assegnato ad

uno studente a scuola:uno studente a scuola: Il problema gli viene assegnato Il problema gli viene assegnato

dall’insegnantedall’insegnante Sa che e’ risolvibile ….Sa che e’ risolvibile …. ……. usando gli strumenti dell’ultima lezione!. usando gli strumenti dell’ultima lezione!

Esempi di questioni Esempi di questioni aperteaperte

Perche’ m(top) ~ Perche’ m(top) ~ 101088 m(e)? m(e)? Perche’ m(neutrino) ~ Perche’ m(neutrino) ~ 1010-9-9 m(e)? m(e)? Qual’e` la vera origine della Qual’e` la vera origine della massamassa?? Perche’ 3 famiglie di quarks e leptoni?Perche’ 3 famiglie di quarks e leptoni? Perche’ FPerche’ Fgravita gravita ~ ~ 1010-40-40 FFelettricaelettrica ? ? Sono le particelle veramente Sono le particelle veramente puntiformipuntiformi? ?

Stringhe?? Membrane?Stringhe?? Membrane? Perche’ Perche’ D=3+1D=3+1?? E’ la E’ la gravita’gravita’ consistente con la MQ? consistente con la MQ? Come e’ veramente avvenuto il Come e’ veramente avvenuto il Big BangBig Bang??

http://teachers.cern.ch/

Insegnanti al CERNInsegnanti al CERN

La fisica classica si puo’ La fisica classica si puo’ insegnare anche cosi’ ??insegnare anche cosi’ ??

Moto di particelle Moto di particelle in campi magneticiin campi magnetici

Leggi di Leggi di conservazione dell’ conservazione dell’ impulsoimpulso

Leggi di Leggi di conservazione conservazione della caricadella carica

……..

FINALEFINALE

Se avete capito tutto, forse non Se avete capito tutto, forse non avete bisogno di restare fino a avete bisogno di restare fino a mercoledi’mercoledi’

Senno’, le lezioni che seguiranno Senno’, le lezioni che seguiranno esploreranno in dettaglio tutti gli esploreranno in dettaglio tutti gli aspetti (e piu’) che ho introdottoaspetti (e piu’) che ho introdotto

Conclusioni?Conclusioni?

A MERCOLEDI’ SERA!!A MERCOLEDI’ SERA!!

P.S. Perche’ facciamo la P.S. Perche’ facciamo la fisica delle particelle?fisica delle particelle?

Perche’ ci si diverte Perche’ ci si diverte come matti!! come matti!!