La Rivoluzione della Fisica Moderna ovvero di che cosa siamo fatti e come interagiamo con le forze...

La Rivoluzione della Fisica Moderna

ovvero di che cosa siamo fatti e come interagiamo con le forze

dell’Universo

Fabrizio Murtas(fabrizio.murtas@lnf.infn.it)

Laboratori Nazionali di Frascati

Istituto Nazionale di Fisica Nucleare

Frascati 20-11-2008

F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN

Il Modello Antico

AriaTerra Acqua Fuoco

Costituenti materiali Forze

Sin dall’antichità l’umanità ha cercato di capire quali fossero i costituenti fondamentali dell’universo

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AtomiDopo circa 2000 anni (1900 dC), questa era la visione della materia

L’organizzazione di tutti i tipi di atomi in una Tabella Periodicaè di fatto il suggerimento che esiste una struttura più sempliceche ne governa la regolarità.

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• Nel 1897 Thompson scopre l’elettrone • Se l’elettrone è carico negativamente questo implica

– L’atomo non è elementare,

– Ci deve anche essere una carica positiva.

Rutherford: il primo fisico delle alte energie

elettroni

carica positivadistribuita

Struttura dell’atomo

La struttura della materia puo’ essere indagata con fasci di particelle

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Fine ‘800 L’atomo

Dagli atomi …..

Inizio ‘900Il modello atomico planetario

Atomo

Tutta la materia e’ composta di :

• Elettroni

• Protoni

• Neutroni

Tutto il resto è vuoto !!!

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Solo 3 particelle elementari ?

Grazie a nuovi acceleratori ed a rivelatori di particellecome la Camera a bolle, il numero di particelle elementari alla fine degli anni ’50 era notevolmente aumentato

K-K0

K+

e

p

n

e

K0

Dov’è l’ordine ?

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Nuova regolarità• Nel 1961 Gell-Mann & Ne’eman fecero per le particelle

“fondamentali” cio che Mendeleev aveva fatto 100 anni prima per gli atomi “fondamentali”.

n p

- 0

K0 K+

K- K0

S = +1

S = 0

S = -1

S = 0

S = -1

S = -2

S = -3

Q = +1

Q = -1

Q = 0

Q = -1

Q = 0

Q = +1

Q = +2

Ci deve essere una struttura sottostante

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Fine ‘800 L’atomo

Dagli atomi ai quark

Inizio ‘900Il modello atomico planetario

Anni 30 La struttura del nucleo atomico

(protone e neutrone)

Anni 60 La struttura subnucleare a quark

AtomoProtone

… il protone ed il neutrone non sono elementari !!!

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I Quarks

Protone Q= +2/3 +2/3 -1/3 = 1

u u

d

u d

d

I quarks hanno carica frazionaria !

Neutrone Q= +2/3 -1/3 -1/3 = 0

Quark up Q = +2/3

Quark down Q = -1/3

u s

d

Particella “strana”

Q = +2/3 -1/3 -1/3 = 0

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La scoperta dell’antimateria

10

Nel 1932 il fisico americano Anderson, studiando i raggi cosmici, scoprì una particella che si comportava esattamente come un elettrone, ma con carica elettrica positiva.

Carl David Anderson

(1905 – 1991)

Dopo la scoperta si riuscì anche a produrli in laboratorio bombardando piastre metalliche con fotoni di energia h > 1 MeV .Questo perchè ,entrando in collisione con i nuclei, i fotoni sparivano e davano vita a coppie e+ e. Essendo la massa dell’elettrone 0,5 MeV/c2 il fenomeno si verifica solo sopra la soglia.

e+

spin + 1/2

Si cominciò quindi a pensare che anche il protone e il neutrone potessero avere un’antiparticella. Grazie alla costruzione dei primi moderni acceleratori di particelle nel 1955 fu scoperto l’antiprotone da Emilio Segrè e Owen Chamberlain, e nel 1956 l’antineutrone da Bruce Cork.

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Collisione materia antimateria

muonemuone

antimuoneantimuone

E = m c2

antielettroneantielettrone elettroneelettrone

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AdA: Anello di Accumulazione

F r a s c a t i 1961

Il prototipo dei collisori materia-antimateria

1 m1 m

Bruno Touschek

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ee++ ee--

--

++

Materia e Antimateria

Con i collisori si raggiungono energie molto elevate con possibilità di studiare asimmetrie tra materia e antimateria.

++

--

ee--

ee++

E = 2me c2E = 2m c2E = 2m c2

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I discendenti di AdA nel mondo

27

28

29

30

31

32

33

34

0,1 1 10 100 1000

Energia (GeV)

Lu

min

osi

tà (

log) Quark s

Quark b

I collisori elettroni - antielettroni

ADONE LEP al Cern DAFNE DCI

ACO

ADONE

VEPP 2

DAFNE

ADONE II

BEPC

SPEAR

VEPP 4

CESR

KEK B

DORIS

PEPII

PETRA

PEP

LEP I

LEP II

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Famiglie di Famiglie di

materiamateria

tau

-neutrino

bbottom

ttop

IIIIII

muone

-neutrino

sstrange

ccharm

IIII

eelettrone

ee-neutrino

ddown

upu

I I

Lep

toni

L

epto

ni

Qua

rks

Qua

rks

Costituenti materiali

… ma da cosa è composta la materia

…. ovvero la materia

è composta da 12 fermioni

suddivisi in tre famiglie

La Materia stabile

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Le famiglie “si parlano”

ccharm

stranges

ttop

bbottom

ddown

uup

Se così fosse avremmo un Universocomposto da particelle appartenenti a tutte e tre le famiglie...Universo estremamente complicato !

Interazione debole dei fermioni

Questa “rotazione” e’ descritta dalla matrice di Cabibbo-Kobayashi-Maskawa

Le particelle dotate di Top e Charm hanno una vita media più piccola rispetto alle particelle dotate di Bottom e Strange.Misurando i decadimenti queste particelle di fatto misuriamo gliangoli di questa rotazione (il primo fù l’angolo di Cabibbo)

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… ma quante famiglie ci sono ?

Massa Z (=E/c2)

Num

ero

di d

ecad

imen

ti Z

Larghezza (E) dello Z

Solo tre famiglie

Misura di alta precisione fattaal CERN con il collisore LEP

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neutrino

muone

ccharm

stranges

....

ttop

tau

neutrino

bbottom

eelettrone

eneutrino e

ddown

uup

..

I Fermioni : le masse

1 Gev protone

0.003

0.006

0.0005

0

1.5

0.12

0.105

0 0

4

1.8

175QUARKS

LEPTONI

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neutrino

muone

ccharm

stranges

ttop

tau

neutrino

bbottom

eelettrone

eneutrino e

ddown

uup

I Fermioni : la carica elettromagnetica

1 carica dell’elettrone (oprotone)

+ 2/3

- 1/3

- 1

0

+ 2/3

- 1/3

- 1

0 0

- 1/3

- 1

+ 2/3QUARKS

LEPTONI

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Anti-materia : tutte le cariche opposte !

QUARKS

LEPTONI

e+positrone

uup

ddown

eneutrino e

muone

ccharm

stranges

neutrino

tau

bbottom

neutrino

ttop

- 2/3

+ 1/3

+ 1

0

- 2/3

+ 1/3

+ 1

0 0

+ 1/3

+ 1

- 2/3

… e le forze ?

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Le forze fondamentali

Forza Intensità relativa

Gravitazionale 1

Debole 1029

Elettromagnetica 1040

Forte 1043

Vi tiene seduti sulle sedie

Decadimenti radioattivi

Tiene insieme elettroni e protoni

Tiene insieme i nuclei

Ciascuna forza, ha una particella associata ad essa, un bosone di gauge, che permette alla forza di agire a distanza. Ad esempio per la forza elettromagnetica la teoria è l’elettrodinamica quantistica QED e il bosone di gauge è il fotone.

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I Bosoni: le masse

ggluone

fotone

Z bosone

W bosone

00 80.4 GeV 91.2 GeV

1 GeV protone

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Materia e campi di ForzaVediamo ora come interagiscono le particelle di materia (o antimateria)

tempo

Gli elettroni si scambiano un bosone: il fotone (il mediatore di forza ).

e-

e-

e-

e-

Questi diagrammi non sono soltanto rappresentazioni grafiche ma autentiche formule matematiche che ci permettono di calcolare l’intensità dell’interazione. Grafici di Feynman

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Scoperta del neutrinoNel 1896 Bequerel scopre la radioattività naturale: alcuni materiali come l’Uranio o il Radio producono raggi , o .Nel 1930 Pauli fa l’ipotesi che insieme all’emissione di vengano emesse particelle neutre di massa molto piccola : i neutrini.

n

u u

d

Con il modello a quark ...

even

t i

energia di e-

m0

pe-

u d

d

e-

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Il bosone W

Ma come avviene l’interazione debole ?

tempo

W

u

u d

e

d

e

Il bosone W interagendo con il fermione ne cambia il “sapore”

La costante di accoppiamento del fermione al W è molto vicina ad della QED.

Quello che rende debole l’interazione è il fatto che il bosone W ha una massa molto elevata (probabilità più bassa di emissione)

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Interazioni del neutrino

neutrone

W

e e---

d uud

ud

protone

La sezione d’urto che si ricava da questo diagramma di Feynmann e’ di 10-38 cm2

Esperimento CHORUS al CERN

Diametro dell’atomo 10-8 cm

Diametro del nucleo 10-13 cm

Quindi i neutrini interagiscono pochissimo con la materia !

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Lunga vita al soleGrazie alla forza debole la combustione dell’idrogeno in elio e’ sufficientemente lenta da dare al sole una vita di 10 Miliardi di anni

Si potrebbe dire che lo sviluppo delle forme di vita nell’universo e’ possibile grazie all’esistenza della forza debole.

protone neutrone

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Esperimento ALEPH 1988-2001

Piccoli Big Bang al Lep

e+ e- e+ e-e+ e- + -e+ e- + -

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Cromo Dinamica Quantisitca• Dato il grande successo della QED, negli anni ‘70 si

sviluppò una teoria quantistica delle interazioni forti che venne chiamata Cromo Dinamica Quantisitca (QCD). Questa teoria include un nuovo bosone di gauge chiamato gluone.

• La “carica” delle interazioni forti è chiamata colore, e ciascun quark ha tre possibili valori di colore: rosso verde e blu. Questo tipo di interazione è mediata da un gluone.

La particella così composta (barione) risulta “bianca”

Quark “verde”

Quark “rosso”

Gluone “rosso-antiverde”

La particella così composta (mesone) risulta “bianca”

Quark “anti-verde”

Quark “verde”

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Perchè non si vedono i Quark ?• La forza forte fra i quarks decresce con il

decrescere della distanza (libertà asintotica) e aumenta alle grandi distanze

• Questo e’ ciò che succede quando si cerca di estrarre un quark da un barione :

L’Energia nel campo aumenta fino a ...

raggingere E=Mc2

(M=m+m) per produrre una coppia di quark e anti-quark

Un quark rimarrà nel barione, mentre l’antiquark si unirà al quark strappato per formare un mesone

protonemesone

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Evidenza della QCDLa QCD mi dice che non posso vedere dei quark liberi. Quindi, cosa succede se provo a far scontrare due protoni ad energie sempre più elevate?

s

p

p

s

p

p

Ma i gluoni possono interagire tra di loro in quanto anche loro sono colorati !!

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e+ e- q q e+ e- q q g

Creazione di quarks al LEP

1 cm

F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN

Z bosone

W bosone

fotone

ggluone

ee

ddown

uup

elettrone

e-neutrino

muone

-neutrino

sstrange

ccharm

-neutrino

tau

b

bottom

ttop

ee

ddown

uup

elettrone

e-neutrino

muone

-neutrino

sstrange

ccharm

-neutrino

tau

b

bottom

ttop

Materia Forze

Contributo dell’INFN

Adone a Frascati 1974Gamma Gamma2

F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN

Z bosone

W bosone

fotone

ggluone

ee

ddown

uup

elettrone

e-neutrino

muone

-neutrino

sstrange

ccharm

-neutrino

tau

b

bottom

ttop

Esperimento UA1 al collisore protone-antiprotone del

CERN di Ginevra

C. Rubbia

Z bosone

W bosone

fotone

ggluone

Materia Forze

Evento con Z°

Contributo dell’INFN

F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN

BosoneBosonedi Higgsdi Higgs

Med

iato

ri d

i For

z eM

edia

tor i

di F

orze

Z bosone

W bosone

fotone

ggluone

Famiglie di Famiglie di

materiamateria

tau

-neutrino

bbottom

ttop

IIIIII

muone

-neutrino

sstrange

ccharm

IIII

eelettrone

ee-neutrino

ddown

upu

I I

Lep

toni

L

epto

ni

Qua

rks

Qua

rks

?

Costituenti materiali Forze

Il Modello Standard

…e l’antimateria ?perche è scomparsa dopo il Big Bang ?

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DAFNE

Asimmetria tra materia e antimateria studiata a Kloe e Dafne a Frascati

1999-2006

… perchè le particelle hanno

massa ?

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Higgs e la massa dei fermioni

Supponiamo di avere un campo di Higgs e facciamoci correre sopra tre particelle ....

Tanto più grande è l’accoppiamento tra il campo di Higgs e la particella,tanto più grande è la massa ad essa associata !

Ma come fa il campo di Higgs a fornire la massa alle particelle ?

..

Raggio di azione

Se volete altri esempi http://hepwww.ph.qmw.ac.uk/epp/higgs.html

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Esiste la particella di Higgs ?

Questo eccesso di eventi ad alta energia ha fatto pensare ad un primo segnale dell’esistenza della particella di Higgs 7 anni fa.

Significanza statistica di “solo” 3.9 sigma, compatibile con un SM Higgs di circa 114 GeV/c2.

Questo segnale lo ha visto solo uno dei quattro esperimenti !

Aleph

Quindi bisogna aspettare qualche anno …

Voi siete qui

Esperimento Atlas

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LHC e il Big Bang

…. alla ricerca del bosone di HIGGS per spigare la massa

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Storia dell’universo

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Il Big BangIl Big Bang

0 secondi

Era della grande unificazione

10-35 sec

L’inflazione spazio-temporale cessa

Si rompe la Grande Unificazione e si distinguono forza

forte ed elettrodebole

Era elettrodebole

1 miliardesimo di sec

Le forze elettrodeboli

si distinguono

Era dei protoni

1 millesimo di sec

I Quark si combinano per formare

Protoni e Neutroni

Era dei Nuclei

100 sec

I Protoni e Neutroni

si combinano per formare

i nuclei di elio

Era della luce e degli atomi

300.000 anni

L’universo diventa trasparente

e si riempie di luce

Formazione delle Galassie

1

Miliardo di anni

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LHC al CERN di Ginevra

ALICE LHC-B

CMS

ATLAS

Apparato Atlas a LHC

Evento simulato di collisione protone-protone

Evento simulato di collisione piombo-piombo

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Esperimento ATLAS al CERN 2007

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Esperimento CMS al CERN 2007

F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFNEsperimento CMS al CERN 2007

…i collisori costano troppo …osserviamo i raggi

cosmici !

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Laboratori sotterranei

Evento raro

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Laboratori sotterranei del Gran Sasso

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Neutrini da supernove

Osservatorio LVD al Gran Sasso

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Gallex al GranSasso

Oscillazione di Neutrini

I neutrini si trasformano durante il lungo viaggio

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ee

ddown

uup

elettrone

e-neutrino

muone

-neutrino

sstrange

ccharm

-neutrino

tau

b

bottom

ttop

Matrice di mescolamento

dei neutrini

Milioni di neutrini al secondo attraverso un

granello di sabbia

Oscillazione di neutrini

Z bosone

W bosone

fotone

ggluone

ee

ddown

uup

elettrone

e-neutrino

muone

-neutrino

sstrange

ccharm

-neutrino

tau

b

bottom

ttop

ee

ddown

uup

elettrone

e-neutrino

muone

-neutrino

sstrange

ccharm

-neutrino

tau

b

bottom

ttop

ee

ddown

uup

elettrone

e-neutrino

muone

-neutrino

sstrange

ccharm

-neutrino

tau

b

bottom

ttop

ee

ddown

uup

elettrone

e-neutrino

muone

-neutrino

sstrange

ccharm

-neutrino

tau

b

bottom

ttop

ee

ddown

uup

elettrone

e-neutrino

muone

-neutrino

sstrange

ccharm

-neutrino

tau

b

bottom

ttop

ee

ddown

uup

elettrone

e-neutrino

muone

-neutrino

sstrange

ccharm

-neutrino

tau

b

bottom

ttop

ee

ddown

uup

elettrone

e-neutrino

muone

-neutrino

sstrange

ccharm

-neutrino

tau

b

bottom

ttop

ee

ddown

uup

elettrone

e-neutrino

muone

-neutrino

sstrange

ccharm

-neutrino

tau

b

bottom

ttop

F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN

Neutrini dal CERN al Gran Sasso

Opera : camera a emulsioni fotografiche

Icarus : camera a immagine in Argon liquido

neutrini prodotti con acceleratori

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Progetto Antares e R&D Nemo

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IeriDomani

Ricerca di antimateria : AMS

Italia, Cina, Germania, Finlandia, Francia, Svizzera, Taiwan, USA

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BosoneBosonedi Higgsdi Higgs

Med

iato

ri d

i For

z eM

edia

tor i

di F

orze

Z bosone

W bosone

fotone

ggluone

Famiglie di Famiglie di

materiamateria

tau

-neutrino

bbottom

ttop

IIIIII

muone

-neutrino

sstrange

ccharm

IIII

eelettrone

ee-neutrino

ddown

upu

I I

Lep

toni

L

epto

ni

Qua

rks

Qua

rks

?

GravitàGravità

il fantasmail fantasma

dell’operadell’opera

Costituenti materiali Forze

La gravità

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Antenna Gravitazionale a Frascati

Per rivelare onde gravitazionali emesse da supernove all’interno della nostra galassia è necessarioraffreddare a pochi millikelvin (~ -273 gradi)grandi cilindri metallici

F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN

Antenne gravitazionali Barre risonanti INFNAuriga a LegnaroExplorer al CERNNautilus a Frascati

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BosoneBosonedi Higgsdi Higgs

Med

iato

ri d

i For

z eM

edia

tor i

di F

orze

Z bosone

W bosone

fotone

ggluone

Famiglie di Famiglie di

materiamateria

tau

-neutrino

bbottom

ttop

IIIIII

muone

-neutrino

sstrange

ccharm

IIII

eelettrone

ee-neutrino

ddown

upu

I I

Lep

toni

L

epto

ni

Qua

rks

Qua

rks

?

Costituenti materiali Forze

Particelle

supersimmetriche

?Gravitone

?

Il Modello Standard

… ma ci serve a qualche cosa tutto

questo?

F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN

Ricadute tecnologiche : Il WWW 1990 : nasce il WWW al CERN

La biblioteca mondiale

F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN

La GRID Potenza di calcolo distribuita

MetereologiaElaborazione di immagini da satellite

F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFNImmagini del cervello

Ricadute sulla fisica medica : la PET

Collaborazioni INFN -Policlinico

di Tor Vergata

F. Murtas Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN

Bibliografia

QED Richard Feynmann Ed. ADELPHI

Il senso delle cose, Sta scherzando Mr. Feynman! Richard Feynmann, Ed. ADELPHI

La Fisica delle Particelle Luciano Maiani Le Scienze Quaderni n° 103 Settembre 1998

Quarks & Leptons: an intrductory Course in Modern Particle Physics F. Halzen A.D. Martin Ed Wiley

Le Scienze Edizione italiana dello Scientific Americanhttp:www.lescienze.it

Cultura Scientifica

Modello Standard

Trent'anni che sconvolsero la fisica. la storia della teoria dei quantiGamow George, Zanichelli 1966