Modello Standard … Modello Standard … e oltree oltre

Danilo BabusciDanilo Babusci

Stage Estivi LNF 2013

Fisica delle Particelle ElementariFisica delle Particelle Elementari (FdP)

Si interessa del comportamento fisico dei costituenti fondamentali del mondo, ovvero di oggetti al contempo

molto piccoli e molto veloci

è l’arena naturale per l’esibizione simultanea della Meccanica Quantistica e della Relatività Speciale

piccole dimensioni alte velocità

Meccanica Quantistica (in breve)

Elementi essenziali della descrizione del mondo microscopico (diversi da quelli del mondo macro)

leggi naturali sono di natura probabilistica

posso conoscere soltanto la probabilità di un evento: è (in linea di principio) impossibile prevedere quando decadrà un atomo eccitato

dualità onda-particella

onde e particelle appaiono come aspetti differenti della stessa entità

Meccanica Quantistica (in breve)

particella come onda fenomeni d’interferenza

Meccanica Quantistica (in breve)

A. Tonomura et al. American Journal of Physics 57, 117 (1989)

Meccanica Quantistica (in breve)

onda come particella effetto fotoelettrico

metallo

luce elettroni

• maggiore è l’intensità della luce, maggiore è il numero di elettroni, della stessa energia, emessi

• maggiore è la frequenza della luce incidente, maggiore è l’energia degli elettroni

inspiegabili nell’ambito della fisica classica: l’energia di un’onda e.m. dipende dall’intensità, non da frequenza

Meccanica Quantistica (in breve)

Einstein (1905): l’energia del fascio di luce è distribuita in pacchetti (quanti) di grandezza hinteramente trasferibili all'elettrone

Einstein (1915): nelle interazioni con la materia i quanti trasferiscono, oltre all’energia, anche un impulso (mv)

→ costante di Planck

rafforzato lo status particellare della luce: fotoni

NBmassa fotone = 0

Meccanica Quantistica (in breve)

• elettrone è onda stazionaria all’interno dell’atomo (orbita contiene numero intero di lunghezze d’onda)

Conseguenze natura ondulatoria della materia

Meccanica Quantistica (in breve)

l’energia associata al moto dell’elettrone è quantizzata

• principio d’indeterminazione (Heisenberg)

Meccanica Quantistica (in breve)

incertezza nella posizione

incertezza nell’ impulso

perde senso il concetto di traiettoria

… è concessa violazione arbitraria della legge di conservazione dell’energia purché duri per un tempo corrispondentemente piccolo

Non solo …

Piccolo tempo d’esposizione

Grande tempo d’esposizione

forma SI - velocità NO

forma NO - velocità SI

Meccanica Quantistica (in breve)

L’aspetto probabilistico sembra essere l’essenza ultima delle leggi fondamentali della natura

La fusione dei concetti di onda e particella richiede l’abbandono di alcune idee classiche:

• Onda: rinuncia all’idea di un mezzo materiale che vibra e fornisce supporto alla propagazione

• Particella: rinuncia all’idea della localizzabilità

onda - particella campo quantistico

Campi Quantistici

Fisica Classica

e-e-

e- si avvicinano mutua repulsione rallentati e deviati

azione a distanza

Fisica Quantistica

t

x

e-

e-

e-

e-

e- emette cambia velocità

e- assorbe cambia velocità

interazione = scambio del

Interazioni tra Campi

Campi Fondamentali

Caratterizzazione delle proprietà di trasformazione delle particelle sotto rotazioni spaziali spin

quantità determinata che rappresenta il momento angolare intrinseco della particella

(idea intuitiva di spin: particella come “trottola” in rotazione è falsa: oggetto puntiforme non può ruotare su stesso)

campi suddivisi in 2 grandi categorie

fermioni = spin semidispari (1/2, 3/2, …)

Campi Fondamentali

bosoni = spin intero (0,1, 2, …)

2 tipi diversi di campi osservati in natura

Campi Fondamentali

Campi Materiali

fermioni a spin 1/2

leptoni

quarks

Mediatori Interazioni

bosoni

CampoCampo q/eq/e m (GeV)m (GeV)

6.8 x 10-3-1/3d3 x 10-32/3u

< 3 x 10-90e

5 x 10-4-1e

1^ Famiglia

0.12-1/3s1.22/3c

< 1.9 x 10-40

0.106-1

2^ Famiglia

4.3-1/3b174.32/3t

< 18.2 x 10-30

1.78-1

3^ Famiglia

Campi Materiali

Dove sono il protone, il neutrone, i pioni, … ??

Esperimenti di diffusione di elettroni su protoni/neutroni mostrano che quest’ultimi non sono particelle elementari, ma possiedono componenti interni: quarks (Gell-Mann, Zweig)

Caratteristiche essenziali dei quarks

carica elettrica frazionaria (+/- 1/3, +/- 2/3)

carica di colore ciascun tipo (sapore) esiste in 3 versioni: rosso, verde, blu (antiquarks portano anticolore)

Campi Materiali

Esempio: protone e neutrone tripletti di quarks

p = {u, u, d} n = {d, d, u}

pioni coppie quark-antiquark

+ = {u, }

€

d - = {d, }u

Regole di combinazione dei quarks: solo oggetti bianchi, ovvero {RVB} oppure {colore – anticolore}, a carica elettrica

intera (o nulla)

Natura aborre stati di colore isolati: mai osservati quarks liberi

Campi Materiali

Gravitazione & E.M*.: familiari nella vita quotidiana (causa il raggio d’azione infinito)

Debole*: responsabile della radioattività (decadimento del neutrone n p + e- + e )

Forte: inizialmente ritenuta responsabile del legame nucleare e mediata dal pione. Natura composta di p, n, interpretata come residuo dell’interazione di colore tra quarks mediata da gluoni colorati

(trasportano colore-anticolore 8 combinazioni diverse)

* in realtà manifestazioni di una stessa interazione: Elettrodebole (Glashow, Weinberg, Salam)

Interazioni

Gravitazionale energia 10-43 Q , L

E. M. elettrica 10-2 Q , L

Debole debole 10-15 10-5 Q , L

Forte (Colore) colore 10-13 1 Q

CaricaCarica AzioneAzioneR R (cm)(cm)

ForzaForzaInterazioneInterazione

4 interazioni per spiegare tutto l’Universo

Interazioni

Gravitazionale Gravitone (G) 2 0

Elettromagnetica Fotone () 1 0

Debole 3 Bosoni (W, Z0) 1 80.4, 91.2

Forte (Colore) 8 Gluoni (gi) 1 0

InterazioneInterazione MediatoreMediatore SpinSpin m (GeV)m (GeV)

Interazioni

The Standard The Standard ModelModel

HHiggs boson

GravitGravity ?y ?

Il campo di Higgs

(www.asimmetrie.it)

ASIMMETRIE (n. 8)

Higgs @ LHC

Higgs → 2 fotoni

Higgs → 2 fotoni

? 4 invece di 1 ? così diverse

agiscono su classi diverse di particelle: quella di colore solo sui quarks

intensità completamente differenti

mediate da campi con proprietà diverse

Interazioni

? Gravità così debole

(a bassa energia) tra 2 e- :FCoulomb

FNewton 10-40

Questioni aperte

? 3 Famigliemt 108 me m 10-9 me

? masse cosí diverse

Qual’è la vera origine della massa ?

? Quarks & Leptoni G.U.Theory

Predizione scioccante: decadimento del protone il destino ultimo dell’Universo non prevede la materia di cui siamo fatti

Questioni aperte

esistenza di nuova forma di materia: particelle supersimmetriche soluzione problema della materia oscura ?? (solo 4.5 % della materia dell’universo

è in forma di particelle ordinarie)

? Bosoni & Fermioni Nuova simmetria

correla bosoni & fermioni per ogni bosone (fermione) esiste partner supersimmetrico

fermionico (bosonico)

Supersimmetria

Questioni aperte

Modello Standard + Supersimmetria

E (GeV)

102

101

2

101

4

101

6

101

8

1 0

(In

ten

sit

à)-1

10

50

20

30

40

60e.m.

debole

color

e

gravità

G.U.

e.m.

debol

e

color

e

Questioni aperte

particelle supersimmetriche ?

Higgs

unificazione E.W.

101

2

101

5

101

8

10910610310010-3

E (GeV)

e c b

W

t

unificazione E.W. - Colore

Scala di Planck

? cosí distanti

Problema gerarchico

Questioni aperte

? Gravità incompatibile con M.Q.

? Spaziotempo ha 3 + 1 dimensioni

aggiunta di dimensioni spaziali extra attraverso cui si propaga solo la gravità, mentre le altre interazioni agiscono solo nello spaziotempo ordinario soluzione problema gerarchico

ha a che fare con la “debolezza” della gravità ?

modifica della legge di Newton a piccole distanze

Questioni aperte

Le particelle sono veramente puntiformi ?

Teoria delle Stringhe

ulteriore livello microscopico: particelle non sono puntiformi, ma piccole (10-33 cm) corde oscillanti

diversi stati di oscillazione della stringa particelle diverse

Questioni aperte

Conseguenze della Teoria delle Stringhe:

dimensionalità spaziotempo = 9 + 1

altre 6 dimensioni spaziali sono “arrotolate” su distanze dell’ordine di 10-33 cm inosservabili alle energie a noi accessibili

Questioni aperte

nell’equazione fondamentale della teoria è presente

(D - 10) x (termine problematico)

rende instabile la teoria

risoluzione conflitto M.Q. – Gravitazione

Problema: manca la matematica!!

solo Stringhe ? membrane p-dimensionali

teoria M

viene aggiunta ulteriore dimensione spaziale

Questioni aperte

tra le oscillazioni della stringa una ha massa nulla e spin = 2 → gravitone

Leggi d’interazione universali (indipendenza da luogo e tempo) estrapolazione nel passato (e nel futuro)

AstrofisicaAstrofisica

BiologiaBiologia

Fisica Fisica NucleareNucleare

FdPFdP ChimicaChimica

Astroparticle Physics

t 0 a 0 T ∞ Quale Fisica ?

Gravità Quantistica

t ~ 10-43 s E ~ 1019 GeVEra di Planck