La storia
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La storia della fisica delle particelle. M. Cobal, Dipartimento di Fisica Universita’ di Udine. Come funziona l’Universo? Da dove viene? Dove va?. Quali sono i componenti ultimi della materia? Come “si muovono”? Che cosa “li muove”?. Introduzione.

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La storia della fisica delle particelle

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- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


La storia della fisica delle particelle

La storia

della

fisica delle particelle

M. Cobal, Dipartimento di Fisica

Universita’ di Udine


Introduzione

Come funziona l’Universo?

Da dove viene?

Dove va?

Quali sono i componenti ultimi della materia?

Come “si muovono”?

Che cosa “li muove”?

Introduzione

  • La Fisica delle particelle affronta le domande fondamentali della storia del pensiero:


Introduzione1

Introduzione

  • La Fisica delle Particelle non e’ solo una classificazione “zoologica” delle particelle esistenti in Natura, bensi’ aspira a comprendere il motivo della loro esistenza e le regole che le governano

  • Molti altri rami della Fisica sono quindi riconducibili ad essa:

    • La comprensione del Big Bang passa attraverso la comprensione

    • della gravita’ quantistica ossia la spiegazione del comportamento

    • della Natura quando i campi gravitazionali hanno intensita’ confrontabili alle forze nucleari

    • La comprensione della struttura a larga scala dell’Universo

    • (Inflazione, Costante Cosmologica) andra’ ricercata nella teoria

    • finale unificata e nello spettro di particelle che la compongono


Un confronto dimensionale

Un confronto dimensionale

Cosmologia

Astronomia

Astrofisica

(cm)

1020

1010

~

Geofisica

Antropologia, Psicologia

Dimensioni (cm)

1

Biologia, fisica dei fluidi,

Solidi, gas

Chimica

10-10

Fisica molecolare e atomica

Fisica nucleare

Fisica delle particelle elementari

10-20


Di cosa e fatto il mondo

Di cosa e’ fatto il mondo?

  • L'uomo è giunto a capire che la materia è in realtà un agglomerato di pochi elementi fondamentali, che costituiscono tutto il mondo della natura.

  • La parola "fondamentale" è una parola chiave:

    • Per elementi fondamentali intendiamo oggetti che sono semplici e privi di struttura interna (cioe’ non composti da qualcosa di più piccolo)

  • Domande:

    • Esistono mattoni fondamentali?

    • Quali sono I mattoni fondamentali?

    • Come interagiscono?

    • Come determinano le proprieta’ dell’Universo?


La rivoluzione greca

La Rivoluzione Greca

  • Circa 2500 anni fa i filosofi greci cominciarono a chiedersi: “di cosa e’ fatto il mondo?” e a cercare riposte usando la logica anziche’ la religione

    • Talete di Mileto (600 AC): acqua…

    • Anassimene: aria…

    • Pitagora: numeri…

    • Eraclito: fuoco…

    • Empedocle:

      • Quattro elementi: Acqua, aria, terra, fuoco

      • Uniti o separati da forze “morali” (amore e odio)…

      • Democrito (~400 AC):

      • Tutto costituito da particelle invisibili e indivisibili: atomi

      • Peso e forma diversa, combinati formano nuove sostanze


L atomo e fondamentale

L’atomo e’ fondamentale?

  • Alchimia Chimica (1780 1870)

    • Classificazione degli atomi in base alle proprieta’ chimiche

    • Evidenza di una “periodicita’” (Mendeleyev)

    • Indicazioni di una struttura comune degli elementi

La Tavola

Periodica


L atomo e fondamentale1

L’atomo e’ fondamentale?

  • Ricorriamo all’esperimento:

    • si guarda dentro l'atomo, usando particelle come sonde

    • L'atomo ha una struttura interna, e non e’ una semplice “pallina” permeabile

DOMANDE

?

TEORIA

ESPERIMENTO


Stato della fisica intorno al 1895

Stato della Fisica intorno al 1895

  • Leggi di Conservazione

  • Energia

  • Impulso

  • Momento Angolare


Stato della fisica intorno al 18951

Stato della Fisica intorno al 1895

  • Lord Kelvin—

    un’autorita’ del suo tempo

  • Si oppone fortemente alla teoria atomica

  • “There is nothing new to be discovered in physics now. All that remains is more and more precise measurement."

  • Albert A Michelson—

    il primo premio Nobel americano

  • “The grand underlying principles have been firmly established...further truths of physics are to be looked for in the sixth place of decimals" (Science, 1892)


I 30 anni che sconvolsero la fisica

I 30 anni che sconvolsero la fisica!

1873 Teoria elettromagnetica di Maxwell

1874 George Stoney sviluppa la teoria dell’ elettrone e ne ipotizza la massa.

1895Röntgen scopre I raggi X.

1898 Marie e Pierre Curie separano gli elementi radioattivi, Thompson misura l’ elettrone e sviluppa il suo modello atomico

1900Planck suggerisce che la radiazione sia quantizzata

1905Einstein descrive il fotone come quanto di luce, che si comporta come una particella. Propone inoltre l’ equivalenza tra massa ed energia, la dualita’ onda-particella, la relativita’ speciale

1911Rutherford capisce che l’atomo ha un nucleo interno

1913Bohr costrusce una teoria atomica basata sulla quantistica.

1919Rutherford fornisce la prima evidenza dell’esistenza del protone


Come si guarda dentro la materia

Come si guarda dentro la materia?

Rutherford (~1910) – classico esperimento bombardamento di particelle su bersaglio (foglio d’oro)

Esperimento di Geiger & Marsden

!

q


Modello atomico di rutherford

Modello atomico di Rutherford

Angle q

Conclusione

L’atomo contiene un nucleo di carica positiva di dimensione

<10 fm [1 fm = 10-13 cm] 0.000,000,000,000,1 cm

Nuovo Modello atomico


Cosa succede negli anni 20

Cosa succede negli anni ’20?

1921Chadwick e Bieler concludono che una qualche forza forte tiene insieme il nucleo

1923Compton scopre la natura particellare dei raggi X

1924de Broglie propone che la materia abbia caratteristiche di onda

1925Pauli formula il principio di esclusione per elettroni atomici. Bothe and Geiger dimostrano che massa ed energia si conservano nei processi atomici

1926 Schroedinger sviluppa la meccanica ondulatoria. Born da’ una interpretazione probabilistica della quanto-meccanica .

1927 Si osserva che alcuni materiali emettono elettroni (decadimento beta). Atomo e nucleo hanno livelli di energia discreti: come possono emettere elettroni con uno spettro di energia continuo?

Heisenberg formula il principio di indeterminazione.

1928Dirac combina la meccanica quantistica e la relativita’ speciale per descrivere l’ elettrone.


Cosa succede negli anni 30

Cosa succede negli anni ’30?

1930Pauli parla del neutrino per spiegare lo spettro dell’ e nel decadimento b

1931Dirac capisce che le particelle a carica positiva richieste dalla sua equazione sono oggetti nuovi (“positroni”). Si parla di anti-materia!

Chadwick scopre il neutrone. Si indaga su legami nucleari e decadimenti

1933-4 Anderson scopre il positrone.

Fermi elabora una teoria per il decadimento b: introduce la forza debole.

Yukawa descrive le interazioni nucleari come lo scambio di nuove particelle (I “pioni”) tra protoni e neutroni interactions by an exchange of new particles (mesons called "pions"). Questa teoria adesso e’ sorpassata

1937 Studiando I raggi cosmici, viene scoperta una particella di massa 200 volte la massa dell’e. All’inizio si pensa che sia la particella di Yukawa. Si capisce poi che invece e’ il muone.

1938 Stuckelberg osserva che protone e neutrone non decadono in elettroni, neutrini o muoni. La stabilita’ del protone non si puo’ spiegare in termini di conservazione dell’energia e della carica.


Il nucleo e fondamentale

Il nucleo e’ fondamentale?

  • Il nucleo e’ composto di protoni(carica elettrica positiva) e di neutroni (privi di carica elettrica)

  • Anche i protoni e i neutroni hanno una struttura: sono

  • composti da particelle fondamentali chiamate quark.

  • Ma per vedere questo ci vorra’ ancora un po’ di tempo…


Una sorgente naturale di particelle

Una sorgente naturale di particelle

  • I fisici delle particelle scoprirono ben presto che in natura vi era una copiosa sorgente di particelle di alta energia: i raggi cosmici

I raggi cosmici sono particelle cariche di alta energia, soprattutto protoni, che provengono dallo spazio e arrivano fino alla superficie atmosferica della terra. Collisioni fra raggi cosmici e molecole di aria avvengono continuamente…

Protoni dallo

spazio

Collisione con le

molecole d’aria

Soprattutto Muoni

Terra Ferma


Cosa succede negli anni 40

Cosa succede negli anni ’40?

1941 Moller e Pais introducono il termine "nucleone" come termine generico per protoni e neutroni.

1946-47 Si capisce che la particella trovata nei raggi cosmici e creduta il mesone di Yukawa e’ in realta’ un "muone“, la prima particella della seconda generazione delle particelle fondamentali che costituiscono la materia.

Il commento di Rabi: "who ordered that?" Si introduce il termine leptone per indicare oggetti che non interagiscono in modo forte (elettroni e muoni sono leptoni)

1947 Si trova un mesone coinvolto in interazioni forti nei raggi cosmici: e’ il pione. Si sviluppano delle procedure per calcolare le proprieta’ elettromagnetiche di elettroni, positroni e fotoni. Introduzione dei diagrami di Feynman.

1948 Il Sincro-ciclotrone di Berkeley produce il primo pione

1949 Fermie Yang suggeriscono che il pione sia composto da un nucleone ed un anti-nucleone. Viene scoperta la K+.


L esplosione delle particelle

L’ “esplosione” delle particelle

  • Lo studio delle interazioni dei raggi cosmici porto’ alla scoperta di un grande numero di nuove particelle:

    • 1931 - Il positrone (e+)

    • 1936 - il muone (m)

    • 1947 - Pioni, kaoni, iperoni

Nello stesso tempo Ernest Lawrence imparava a costruire

acceleratori di particelle in laboratorio…

Ottenendo intensita’ molto piu’ grandi che nei raggi cosmici!


Cosa succede negli anni 50

Cosa succede negli anni ’50?

1950 Viene scoperto il pione neutro (p0).

1951 Si scoprono le particelle strane L0 e K0.

1952 Viene scoperta la particella Delta: ne esistono 4 tipi diversi (D++, D+, D0, and D-). Glaser inventa la camera a bolle (ispirato dalla birra..) Il cosmotrone di Brookhaven, a 1.3 GeV, comincia a funzionare.

1953Comincia l’era della “esplosione delle particelle”

1953-7 Sparando elettroni contro nuclei, si “vede” una distribuzione di densita’ di carica nel protone e nel neutrone. Questo suggerisce la presenza di una qualche struttura interna,

1954 Yang e Mills sviluppano una nuova classe di teorie chiamate “teorie di gauge “. Questo tipo di teorie sono alla base del Modello Standard.

1955 Chamberlain e Segre scoprono l’anti-protone.

1957 Schwinger propone l’unificazione della forza debole ed elettromagnetica.

1957-9 Schwinger, Bludman, e Glashow, suggeriscono che tutte le interazioni sono mediate da bosoni carichi pesanti. Yukawa fu il primo – 20 anni prima – a parlare di scambio di bosoni, ma propose il pione come mediatore della forza debole..


Dov e l ordine

Dov’e’ l’ordine?

Con i nuovi acceleratori di particelle e nuovi rivelatori (camera a bolle)a disposizione i fisici delle particelle negli anni 1950s si divertirono un mondo…

p

e

-

nm

S0

S-

ne

K+

n

S+

r

K0

K-

p

p0

L

m


Particelle ed antiparticelle

Particelle

protone p

neutrone n

elettrone e -

neutrino elettronico e

muone negativo -

neutrino muonico 

pione negativo -

pione neutro  0

fotone 

Antiparticelle

antiprotone

antineutrone

positrone e +

antineutrino elettronico

muone positivo  +

antineutrino muonico

pione positivo  +

pione neutro  0

fotone 

Particelle ed Antiparticelle

Massa

Carica

Vita media

Spin

Stessa massa, e vita media,carica

e momento magnetico opposti

Plate of steel

B

positron


All inizio erano poche

All’ inizio erano poche…

E molte piu’….


Servono energie sempre maggiori

Servono energie sempre maggiori…

Per testare le nuove teorie i fisici delle particelle hanno bisogno di alte energie

COLLISIONI FRA FASCI DI PARTICELLE!

TARGHETTA FISSA

Energia a disposizione per produrre nuove particelle:~ Ebeam

COLLISIONI FASCIO-FASCIO

Energia a disposizione per produrre nuove particelle ~Ebeam


Un moderno accelleratore

Un moderno accelleratore

In queste macchine, fasci

di particelle sono accellerati

quasi alla velocita’ della

luce e fatti collidere in punti

scelti della loro orbita


Accelleratori

Accelleratori

  • 1983: CERN pp collider

    • E = 540 GeV  W+- (80 GeV), Z0 (91 GeV)

  • 1995: Fermilab Tevatron pp collider

    • E=1.8 TeV  top quark (175 GeV)

  • ¼ 2008: CERN LHC pp collider

    • E=14 TeV  discover Higgs?

  • ????: Linear e+e- Collider

    • E=1-2 TeV  study Higgs in detail


Cosa succede negli anni 60

Cosa succede negli anni ’60?

1961 Il numero delle particelle aumenta! Uno schema matematico di classificazione (il gruppo SU(3)) guida i fisici a riconoscere “percorsi” in particelle diverse.

1962 Si verifica sperimentalmente che ci sono due diversi tipi di neutrino (elettronico e muonico), come predetto teoricamente (Lederman, Schwartz, Steinberger).

1964 Gell-Mann e Zweig introducono l’idea dei quark.

Glashow e Bjorken inventano il termine "charm" per il quarto (c) quark.

Osservazione della violazione di CP nel decadimento dei Kaoni (Cronin e

Fitch)

1965 Greenberg, Han, e Nambu introducono la proprieta’ “carica di colore” dei quark

.

1967 Weinberg e Salam separatamente propongono una teoria che unifica le interazioni elettromagnetiche e deboli nelle interazioni elettrodeboli. La loro teoria richiede l’esistenza di un bosone neutro che interagisce debolmente:

lo Z0.

1968-9 Bjorken e Feynman analizzano i dati di scattering di elettroni usando un modello che prevede componenti per il protone. Usano la parola “partone” invece di quark.


The 8 fold way

mesoni

qq

+

-

0

++

uud

ddd

udd

uuu

p

n

us

ds

K+

K0

0 

+

-

uus

dds

uds

du

uu,dd,ss

ud

-

+

0  

dss

uss

-

0

sd

su

K0

-

K-

sss

“The 8-fold way”

barioni qqq

Nel 1961 Gell-Mann & Ne’eman ebbero per la fisica delle particelle lo stesso ruolo di Mendeleev 100 anni prima con gli atomi “fondamentali”


Quarks

Quarks

Negli anni 1960 > 50 particelle elementari Tavola periodica!

Si introducono 3 quark per spiegare la periodicita’

Ma i quark non erano considerati particelle reali!!

  • Si capisce che anche protoni e neutroni non sono unita’ fondamentali

  • Sono composti da particelle piu’ piccole dette quarks

  • Per il momento questi quarks sembrano essere puntiformi


L atomo moderno

L’ atomo moderno

  • Una nuvola di elettroni in moto costante intorno al nucleo

  • Protoni e neutroni in moto nel nucleo

  • Quarks in moto nei protoni e nei neutroni


Dimensioni sub atomiche

Dimensioni (sub)-atomiche

  • Il nucleo e’ 10,000 volte piu’ piccolo dell’atomo

  • Il protone ed il neutrone sono 10 volte piu’ piccoli del nucleo

  • Non ci sono evidenze che i quarks abbiano dimensione


Ordine costituenti fondamentali

Proprio come l’ordine della tavola periodica era dovuto ai tre componenti fondamentali, cosi’ Gell-Mann e Zweig proposero che tutti gli “adroni” fossero costituiti da tre oggetti che vennero chiamati “quarks”

puud

nudd

p+ud

p0uu

p-du

K+us

K0ds

K-su

K0sd

OrdineCostituenti fondamentali

Down

UP

Strange

I quark hanno cariche elettriche pari a 2/3, -1/3. -1/3 della carica dell’elettrone

D++uuu

D+uud

D0udd

D-ddd

W-sss


Cosa succede negli anni 70

Cosa succede negli anni ’70?

1970Glashow, Iliopoulos, e Maiani (GIM) capiscono l’ importanza di un quarto tipo di quark nel contesto del Modello Standard.

1973 Prime indicazioni dell’ esistenza di correnti deboli neutre (per scambio di Z0)

Viene formulata una teoria quantistica di campo per le interazioni forti (QCD)

Politzer, Gross, e Wilczek scoprono che la teoria di colore delle interazioni forti ha una proprieta’ speciale, detta “liberta’ asintotica”.

1974Richter e Ting, leading independent experiments, announce on the same day that they discovered the same new particle J/Y, bound state of charm anti-charm).

1976 Goldhaber e Pierre trovano il mesone D0 (quark anti-up e charm).

Il leptone tau viene scoperto da Perl e collaboratori a SLAC.

1977 Lederman ed i suoi collaboratori scoprono il quark-b a Fermilab.

1978 Prescott e Taylor osservano interazioni deboli mediate dallo Z0 nello scattering di elettroni polarizzati da deuterio: il principio di conservazione della parita’ viene violato, come predetto dal Modello Standard.

1979 Vengono identificato gluoni irraggiati da quark o antiquark allo stato iniziale


Una nuova teoria

Una nuova teoria

  • I fisici hanno elaborato una teoria, chiamata Modello Standard che vuole descrivere:

    • tutta la materia

    • tutte le forze dell'universo (escludendo per ora la gravità)

  • La sua bellezza sta nella capacità di spiegare centinaia di particelle e interazioni complesse con poche particelle e interazioni fondamentali

Semplicita'


Il modello standard

Il Modello Standard

  • Nel Modello Standard esistono due generi di particelle:

    • Particelle materiali: il Modello Standard sostiene che la maggior parte delle particelle materiali finora conosciute è composta di particelle più fondamentali (quark). C'è anche un'altra classe di particelle materiali fondamentali, i leptoni (un esempio è l'elettrone).

    • Particelle mediatrici di forza: Ogni tipo di interazione fondamentale agisce "mediante" una particella mediatrice di forza (un esempio è il fotone).


Fermioni i componenti fondamentali

Perche’ 3 famiglie?Ve ne sono di piu’?

2a generazione

3a generazione

2/3

2/3

-1/3

-1/3

0

0

-1

-1

Fermioni: i componenti fondamentali

Le particelle elementari: i fermioni

1a generazione

Massa (MeV)

Carica (e)

Quarks

Leptoni


Unita usate nella fisica delle pa rticelle

Unita’ usate nella fisica delle particelle

Energia:electron-volt: 1 eV = 1.6x10-19 J

Energia che l’elettrone guadagna attraversando una ddp di 1 Volt

E = mc2, si pone c=1!

Unita’ naturali

Massa:electron-volt

proton mass mp = 938.27 MeV

Momento:electron-volt


I leptoni

I leptoni

  • I leptoni sono sei:

    • tre hanno carica elettrica (negativa)

    • tre non hanno carica elettrica

  • Il leptone carico più conosciuto è l'elettrone (e). Gli altri due leptoni carichi sono il muone (µ) e il tau (t)

    • Muone e tau sono repliche dell’elettrone con massa piu’ grande

  • I leptoni neutri si chiamano neutrini:

    • c’e’ un neutrino corrispondente a ogni leptone carico

    • hanno massa molto piccola (ma non nulla)


I quarks

I quarks

  • Ci sono 5 ordini di grandezza fra la massa del quark piu’ leggero (up) e quello piu’ pesante(top)!

La miglior misura della massa oggi:

M(top)=178 GeVcon un errore di 4.3


Adroni

Adroni

  • I singoli quarks:

    • hanno cariche elettriche frazionarie

    • non sono mai stati osservati direttamente

  • Si riuniscono in gruppi in particelle dette “adroni”:

    • Le combinazioni dei quark possibili sono tali che la somma totale delle cariche elettriche sia un numero intero: due (qq=mesoni) o tre (qqq=barioni)

  • Ma c’e’ molto di piu’…per capirlo bisogna introdurre le interazioni fra i quark


Le forze

Le forze

  • L'universo che conosciamo esiste perché le particelle fondamentali interagiscono:

    • decadono

    • si annichilano

    • reagiscono a forze legate alla presenza di altre particelle (per esempio nelle collisioni).

  • Ci sono quattro interazioni(forze) tra le particelle:

    • Gravita’

    • ElettroMagnetica

    • Forte

    • Debole


Come interagiscono le particelle

e

e

e

e

Diagramma

di Feynman

g

m

m

Come interagiscono le particelle?

  • Le particelle si attraggono o si respingono mediante particelle “messaggeri” (quanti del campo)

  • Quelle che noi chiamiamo comunemente "forze" sono gli effetti dei mediatori di forza sulle particelle materiali.


Che cosa tiene il mondo insieme

Che cosa tiene il mondo insieme?

spin = 1 (bosoni))


Gravita

Gravita’

  • La forza gravitazionale è probabilmente la forza che ci è più familiare:

    • non è compresa nel Modello Standard perché i suoi effetti sono piccolissimi nei processi tra le particelle

  • Anche se la gravità agisce su ogni cosa,è una forza molto debole qualora le masse in gioco siano piccole

  • La particella mediatrice di forza per la gravità si chiama gravitone: la sua esistenza e’ prevista ma non e’ ancora stata osservata


Elettromagnetica

Elettromagnetica

  • Molte delle forze che sperimentiamo ogni giorno sono dovute alle interazioni elettromagnetiche nella materia: tengono assieme gli atomi e i materiali solidi

    • la carica elettrica (positiva/negativa) e il magnetismo (nord/sud) sono diverse facce di una stessa interazione, l'elettromagnetismo.

    • cariche opposte, per esempio un protone e un elettrone, si attirano, mentre particelle con la stessa carica si respingono.

  • La particella mediatrice dell'interazione elettromagnetica si

  • chiama fotone.

    • In base alla loro energia, i fotoni sono distinti come: raggi gamma,

    • luce (visibile), microonde, onde radio, etc.


Interazione forte

Interazione Forte

  • Alcune particelle (i quark e i gluoni) hanno una carica di un nuovo tipo: è stata chiamata carica di colore.

    • Ogni quark puo’ avere uno dei tre colori: rosso, blu o verde

  • Tra particelle dotate di carica di colore l'interazione è molto forte, tanto da meritarsi il nome di interazione forte.

    • La sua particella mediatrice è stata chiamata gluone: perche’ “incolla” i quark fra di loro

Perche’ la repulsione

elettromagnetica fra i protoni del

nucleo non fa esplodere l’atomo?


Il modello a quark

Il Modello a quark

  • 1964 Gell-Mann, Zweig

    • Ci sono 3 quarks e 3 antiquarks

    • Ogni quark puo’ portare uno di 3 colori

    • Gli anti-quark portano un anti-colore


Il confinamento dei quark

Il “confinamento” dei quark

  • Le particelle con carica di colore (come I quark) non si possono trovare isolate ma solo in gruppi di colore “neutro” (adroni)

    • Questo spiega perche’ sono possibili solo combinazioni di due (“mesoni”) o tre (“barioni”) quark: sono le uniche neutre di colore.

  • La carica di colore si conserva sempre.

    • quando un quark emette o assorbe un gluone, il colore del quark deve cambiare, per conservare la carica di colore

    • Per esempio, consideriamo un quark rosso che diventa un quark blu ed emette un gluone rosso/anti-blu: il colore "netto" è sempre rosso.

Il blu e l’anti-blu

si annullano

rimane il rosso


Mai quark liberi

Mai quark liberi!!!

  • La forza di colore diminuisce a piccole distanze e cresce al crescere delle distanze

  • Cosa succede se si cerca di “spezzare” un adrone?

    • Se uno dei quark di un adrone viene allontanato dai suoi compagni, il campo di forza di colore "si allunga" per mantenere il legame.

    • In questa maniera cresce l'energia del campo di forza di colore, e cresce quanto più vengono allontanati i quark tra loro.

Energia del campo di colore cresce…

E=mc2 sufficiente per creare un’altra coppia quark-antiquark


Dove sono i quarks

electrons

Protons

Dove sono i quarks?

  • Questa descrizione e’ molto interessante, ma i quark per ora sono entita’ matematiche…

    • L’esperimento confermera’ la loro esistenza!!!

  • Proviamo a ripetere l’esperimento di Rutherford ad energie MOLTO piu’ alte…

Si dimostra che il protone e’ costituito da altri oggetti piu’ fondamentali!


Come si vedono i quark

Come si “vedono” i quark

Negli anni ‘70, nelle collisioni elettrone-positrone ad alta energia, si osservano dei “getti” di energia, associabili alla presenza di gluoni dovuti alla forza nucleare forte che si origina dalle interazioni tra quark. E’ la manifestazione piu’ spettacolare del “confinamento”

I gluoni e i quark si materializzano in “getti”(ing: jet) di particelle


Interazione debole

W

W

W

Quarks

W

W

W

ne

e-

nm

m

nt

t

Leptons

Interazione Debole

  • L’interazione debole e’ responsabile del fatto che tutti i quark o leptoni decadono in particelle di massa minore

  • I mediatori dell’interazione debole sono le particelle: W+, W- e Z0

Elettrica

Magnetica

Debole

Forte

Elettromagnetica

Electrodebole

?

u

d

c

s

t

b

Nel Modello Standard l’interazione Debole e’ unificata con quella

Elettromagnetica: a piccole distanze stessa

intensita’

Cambiamenti di tipo (detto “sapore”) governati dall’interazione debole


Test della teoria elettrodebole

ene

mnm

ud

cs

tb(?)

e+e-

m+m-

t+t-

qq

Z

W

Test della Teoria ElettroDebole

  • Con l’introduzione della teoria elettrodebole furono necessarie tre nuove particelle: i mediatori dell’interazione W+, W- and Z0.

  • Le loro masse erano previste dalla teoria stessa:

    • MWc2 80 GeV

    • MZc2 90 GeV

Circa la massa del Bromo (z=35) o

dello Zirconio (z=40)!!!

…Pesantucce per essere “elementari”…

La W e la Z hanno una vita media brevissima, ma possono essere

identificate tramite i loro prodotti di decadimento, anche essi predetti

dalla teoria elettrodebole:

Scoperte nel 1983!

..e con la corretta massa


Storia anni 80 2002

Storia anni ’80 – 2002..

  • 1983 Scoperta del W± e dello Z0 al sincrotrone del CERN synchrotron usando la tecnica sviluppata da Rubbia e Van der Meer per far collidere protoni ed antiprotoni.

  • 1989 Gli esperimenti portati avanti a SLAC e al CERN suggeriscono fortemente che vi siano 3 e solo 3 generazioni di particelle fondamentali

  • 1995 A Fermilab l’esperimento CDF vede per la prima volta il quark top.

  • 1998 L’esperimento SuperK identifica oscillazioni di neutrino (I neutrini hanno massa!)

  • 2000-1 Viene osservata la violazione di CP usando B-mesons dagli esperimenti BABAR, BELLE

  • 2002 “Risolto” il problema dei neutrini Solari.


La storia della fisica delle particelle

W boson, UA1 detector in 1982


Le generazioni della materia

Le generazioni della materia

  • Quarks e leptoni organizzati in tre “famiglie”:

    • tutta la materia visibile nell’universo e’ costituita dalla prima generazione.

    • Le particelle della 2a e 3a generazione sono instabili e decadono in particelle della 1a

  • Ci sono altre generazioni?

    • Non si sa il perche’ di queste “repliche”…sorprese sono ancora possibili…

    • Sperimentalmente pare di no


Introducendo i quarks

Introducendo i quarks..

La mia tesi di Dottorato!!

Supervisori: H. Grassmann, G. Bellettini


Il bosone di higgs

Il Bosone di Higgs

  • Il Modello Standard richiede l’esistenza di una ulteriore particella

  • Bosone di Higgs

    • Senza carica

    • Massa sconosciuta (>115 GeV)

    • spin = 0

  • E’ richiesto per poter assegnare le masse (nella teoria) a bosoni e fermioni


Il ms e la teoria del tutto

electromagnetism

electroweak force

GUTs

Il MS e’ la teoria del tutto?

  • NO

    • Il Modello Standard non funziona a tutte le energie

    • Il Modello Standard non include la gravita’

    • L’ Higgs non e’ ancora stato scoperto

  • Unificazione

stringtheory...


Altri problemi aperti

Altri problemi aperti…

  • Alcuni buoni motivi per credere che il Modello Standard sia una (buona) approssimazione di qualcosa di piu’ complesso:

    • non spiega la gerarchia delle masse

    • non spiega la dominanza di materia nel nostro Universo

    • non suggerisce una soluzione al problema della Materia Oscura nell’Universo

    • perche’ 3 famiglie ?

    • troppi parametri

    • ....

  • Varie teorie cercano di superare questi problemi:

    • GUT, SUSY, Technicolor, Compositeness,Superstringhe.

    • Purtroppo nessuna di queste ha una qualche conferma sperimentale…


I quarks sono veramente indivisibili

I quarks sono veramente indivisibili?


La storia della fisica delle particelle

“The mostimportant task for scientists is to search for the most fundamental laws, from which a picture of the world can be deduced.”

There is no logical path leading to these elementary laws, only an intuitive one, based on creativity and experience


Tra le 100 persone che hanno influenzato il mondo

Tra le 100 persone che hanno influenzato il mondo….

  • 17 Fisici

  • 7 Fisici nell’ Era Moderna

    • Albert Einstein

    • Guglielmo Marconi

    • Wernier Heisenburg

    • Ernest Rutherford

    • Max Planck

    • William Conrad Rontgen

    • Enrico Fermi

  • Senza includere altri come Bohr, Boltzmann, Dirac, Feynman, Michelson, Schrodinger!

  • La fisica delle particelle ha dato 40 dei ~90 Premi Nobel dal 1901 ad oggi.


La storia della fisica delle particelle

Se si hanno

fortuna

e tenacia…


La ricerca del quark top

b

W

n

n

n

q

,

,

,

¢

m

t

e

La ricerca del quark Top

  • Dopo la scoperta del quark bottom (Fermilab 1977) il Modello Standard prevedeva un ultimo quark top per completare la coppia della terza generazione

  • Il Modello Standard inoltre e’ in grado di predire esattamente il decadimento del quark top:

t

q, e, m, t

Ma non e’ in grado di predirne

la massa….


Produzione di top a batavia il

t

-

t

Produzione di Top a Batavia, IL

  • Il Tevatron di Fermilab e’ l’acceleratore di piu’ alta energia oggi esistente.

  • Protoni e antiprotoni si scontrano con una energia di 1.8 TeV (1800000000000 electron volts)


Collider detector at fermilab

Collider Detector at Fermilab


La storia della fisica delle particelle

muon

chambers

steel

HAD calorimeter

EM calorimeter

solenoid

e

g

m

tracking volume

electrons & photons

muons

n

p, K, g, L, m etc.

jet

neutrinos

quarks & gluons

I diversi tipi di particelle

rilasciano tipi diversi di segnature nei nostri rivelatori


La storia della fisica delle particelle

Vari milioni di

collisioni per secondo

~ 100 per secondo

scritte su nastro


La storia della fisica delle particelle

Analisi dei

dati…


Simulazione di cio che ci si aspetta

Simulazione di cio’ che ci si aspetta


Trovato

Trovato!

  • Nel 1994, dopo 17 anni di ricerche a vari acceleratori e circa 10 anni allo stesso Tevatron, sono statei trovati 12 eventi che sembravano provenire dalla produzione di una coppia top-antitop

  • Ora ce ne sono piu’ di 100…

  • Perche’ e’ stato cosi’ difficile?

    • Perche’

175 GeV!!

MTOP c2=

- E solo 1 in 1010 collisioni puo’ produrre una coppia top-antitop


Backup

BACKUP


Stato attuale della fisica nel 2005

Stato attuale della Fisica nel 2005

  • Leggi di Conservazione

  • Energia

  • Impulso e momento angolare

  • Spin

  • Numero Barionico e Leptonico

Meccanica statistica

Fermioni e Bosoni

Stati condensati Bose-Einstein

Superconduttivita’

Evoluzione Stellare

Meccanica (Gravita’)

Teoria Generale Relativita’

Elettricita’ e Magnetismo

Equazioni di Maxwell (c1880)

  • Quanto Meccanica

  • Esistenza degli atomi

  • Particelle subatomiche

  • Approccio probabilistico

  • Il Modello Standard Unifica

  • Elettricita’ e Magnetismo

  • Forza Forte Nucleare

  • Forza Debole Nucleare

Forza Forte Nucleare

Composizione Particelle Nucleari

Forza nucleare debole

Radioattivita’


Verifica del modello standard

Verifica del Modello Standard

Negli anni ’90, i dati raccolti al LEP studiando il decadimento del bosone Z, ci permettono di determinare con grande precisione il numero di neutrini (e quindi il numero di generazioni) e di escludere con certezza la presenza di neutrini “anomali”. Una ulteriore conferma del Modello Standard

La curva corrispondente ad

un numero di generazioni pari

a tre descrive meglio la curva!

Il precedente limite era basato su considerazioni cosmologiche


Antimateria

Antimateria

  • Per ogni particella (materia) c'è la corrispondente antiparticella (antimateria).

    • Un'antiparticella è identica alla sua particella sotto ogni aspetto, tranne che per la carica, che è opposta.

    • Per esempio: il protone ha carica elettrica positiva, e l'antiprotone ha carica elettrica negativa; ma hanno la stessa identica massa, perciò sono soggetti alla gravità nella stessa identica maniera.

  • Quando una particella e la sua antiparticella si incontrano, si annichilano in energia pura. Questa energia può dar vita a particelle, prive di carica, mediatrici di forza, come fotoni, bosoni Z, o gluoni.


L antico atomismo

L’ antico atomismo

  • Democrito argui’ su basi logiche che devono esistere qualcosa di “invariato” nell’ Universo (c.f. leggi di conservazione nella fisica moderna?). Stabili’ poi che questi assoluti sono le piu’ piccole componenti dei corpi visibili.

  • Immagino’ la natura come un moto incessante di piccole particelle di materia, indivisibili ed eterne che chiamo’ atomi (ατομον = indivisibile in Greco) (c.f. si pensi alla moderna teoria cinetica dei gas..).I cambiamenti che si osservano nell’ Universo richiedono l’esistenza del vuoto (gaps tra gli atomi)

  • “Per convenzione parliamo di colore, di dolce, di amaro, ma in realta’ ci sono atomi e spazio”.

  • Aristotele rispose che questi ipotetici atomi sarebbero dovuti casere a terram proprio come una pietra una volta sospesa e poi lasciata.


Limits of pre modern physics

Limits of pre-Modern Physics


Il moderno atomismo

Il moderno atomismo

  • Teoria atomica della materia: Dalton (1808)

    • Moto Browniano: Einstein (1905); determinazione del numero di Avogadro.

  • Piu’ avanti: scoperta che l’atomo non e’ il costituente fondamentale

    • Scoperta dell’elettrone: Thompson (1897)

    • Scoperta del nucleo atomico: Rutherford (1911)

    • Modello di Bohr dell’atomo (1913)

    • Scoperta del neutrone (1932)


Il modello a quark1

Il Modello a quark

  • Solo combinazioni prive di colore (“bianche”) di quarks e anti-quarks possono formare particelle (Adroni).

    • qqq (barioni)

    • qq (mesoni)

    • Non ne sono state osservate altre.

    • Pentaquarks???


Un altro evento con jets

Un altro evento con jets

Gli stessi getti si osservano in eventi

provenienti da

collisioni protone-antiprotone


Limiti attuali della fisica moderna

Limiti attuali della Fisica Moderna


Le origini

Le origini

Nell'antichità l'uomo pensava che ogni cosa nel mondo fosse un composto dei quattro elementi:


L atomismo

L’ atomismo

  • Democrito (460-370 B.C.) Filosofo greco: propose una teoria meccanicista del mondo che non richiedeva forze sovrannaturali, ma solo il moto costante degli atomi (indistruttibili) dei quali e’ composta la materia

  • Democrito stabilisce che la nostra percezione delle cose e’ una sorgente di conoscenza fallace (esempio: gli atomi sono troppo piccoli per essere osservati). La conoscenza si ottiene dal ragionamento.


Inconsistenze nella fisica del 2005

Inconsistenze nella Fisica del 2005

Fermioni pesanti ed HTSC

  • Leggi di conservazione

  • Energoa

  • Impulso e Momento Angolare

  • Carica

  • Spin, Numero Leptonico e Barionico

  • Evoluzione Stellare

  • SM per Buchi Neri

  • Meccanica Quantistica

  • Esistenza atomi

  • Particelle subatomiche

  • Approccio probabilistico

  • Entwined States

  • Fisica alle dimensioni

  • sub-Planck

Sistemi Caotici e complessi


Inconsistencies in physics cira 1900

Inconsistencies in Physics cira 1900

Existence of atoms

Brownian motion

Blackbody radiation

Wein’s Law


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