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Il modello standard delle
forze
Vocabolario delle particelle
Le costanti
Costante di Planck h = 6,6 X 10-34 Joule secondo
Velocità della luce c = 3 108 metri/secondo
Costante di Planck ridotta (h tagliato) = h/2
Vocabolario delle particelle
Le scale di energia
Elettronvolt (eV) 1 eV = 1,6 10-19 Joule
Kiloelettronvolt 1 Kev = 103 eV
Megaelettronvolt 1 Mev = 106 eV
Gigaelettronvolt 1 Gev = 109 eV
Teraelettronvolt 1 Tev = 1012 eV
Vocabolario delle particelle
Le relazioniEquivalenza massa – energia:
E = m c2
Relazione di Planck tra energia e frequenza:
E = h
Relazione di DeBroglie tra quantità di moto e lunghezza d’onda
p = h/
Vocabolario delle particelle
Il momento angolare
l momento angolare di una particella si chiama SPIN
L = m v rr
Vocabolario delle particelle
Le regole
Lo spin di una particella può essere solo un multiplo intero (1, 2, 3…) o semiintero (1/2, 3/2, 5/2…) della costante ridotta
Spin semiintero: FERMIONI
Spin intero: BOSONI
Costituiscono la materia
Costituiscono le forze
Vocabolario delle particelle
Le regole
La carica elettrica di una particella è pari alla carica dell’elettrone o a una sua frazione semplice (1/3, 2/3)
Carica intera: LEPTONI
Carica frazionaria: QUARK
Vocabolario delle particelle
Le regole
Per ogni particella esiste un’ANTIPARTICELLA, dotata delle stesse caratteristiche ma con carica di segno opposto.
Le particelle prive di carica sono le antiparticelle di se stesse.
Vocabolario delle particelle
Le regole
I principi di conservazione “classici”:
Energia
Quantità di moto
Momento angolare
Carica elettrica
Vocabolario delle particelle
Le regole
Un nuovo principio di conservazione:
CPT
Se si cambia segno a tutte le cariche (C) si scambia la destra con la sinistra (P) e si inverte il segno del tempo (T) tutte le leggi che regolano i fenomeni fisici restano immutate
C: coniugazione di carica
P: parità
T: inversione temporale
Cos’e’ una particella ?
Un ente fisico rilevabile, almeno per un certo tempo, come una ente singolo, dotato di caratteristiche ben definite:
MASSA
CARICA ELETTRICA
SPIN
Come rilevare una particella ?
Esistono vari tipi di rilevatore: uno dei più antichi è la camera a nebbia, che mette in rilievo la scia lasciata da una particella
Fotografie da camere a nebbia
La teoria classica delle forze
Le particelle materiali interagiscono tra di loro attraverso CAMPI DI FORZA, come il campo elettrico, enti definiti in tutto lo spazio in grado di mediare lo scambio di energia tra corpi.
L’energia si propaga nel campo sotto forma di onde, dotate di propria frequenza e lunghezza d’onda.
La teoria Quantistica delle forze
L’energia dei campi di forza si presenta sempre sotto forma di “pacchetti” indivisibili, detti QUANTI del campo, che in opportuni esperimenti sono rilevabili come singole particelle.
L’azione tra due particelle-materia si attua con lo scambio di una o più particelle-forza
La teoria Quantistica delle forze
Il legame tra le caratteristiche del campo (energia, lunghezza d’onda, frequenza) e quelle delle particelle (massa, quantità di moto) è dato dalle relazioni di Einstein, Planck e DeBroglie.
La teoria Quantistica della materia
Anche le particelle materiali sono i quanti di opportuni campi. La descrizione quantistica di forze e materia è unitaria.
La distinzione tra campi materiali e campi di forze è a volte convenzionale.
La rappresentazione grafica delle interazioni tra particelle
Diagrammi di Feynmann
Particella-materia
Particella- forza
Particella entrante o antiparticella uscente
Antiparticella entrante o particella uscente
esempi
e-
e+
Annichilazione elettrone-positrone
e+u
u d
Decadimento del protone
Autointerazione dell’elettrone
e-
e-
Le famiglie delle particelle
Leptoni
Carichi Neutri
Elettrone Neutrino elettronico
Muone Neutrino muonico
Tauone Neutrino tauonico
Le famiglie delle particelle
Caratteristiche dei leptoni:
• Sono tutti fermioni
• Hanno carica uguale a quella dell’elettrone o sono neutri
• L’elettrone e i neutrini sono stabili, mu e tau decadono formando elettroni e neutrini
Le famiglie delle particelle
Quark
Carica = -1/3e Carica = 2/3e
Down (d) Up (u)
Stange (s) Charm (c)
Bottom (b) Top (t)
Le famiglie delle particelle
Caratteristiche dei quark:
• Sono tutti fermioni
• Non esistono mai singoli, ma si legano a due o a tre. Due d e un u formano il neutrone, due u e un d il protone.
• up e down sono stabili, mentre gli altri decadono in u e d.
La gerarchia delle masse Particella Massa (Mev)
Neutrini piccola, ma non nulla
Elettrone 0,51
Mu 106,6
Tau 1784
Up, Down 310
Strange 505
Charm 1500
Bottom 5000
Top 22500
Le forze fondamentali
Elettromagnetica
Forte
Debole
Agisce tra atomi e molecole, fino a livello macroscopico
Formazione dei nuclei, reazioni nucleari
Decadimento del neutrone, reazioni nucleari
Le particelle mediatrici delle forze (bosoni intermedi)
Mediatori della forza elettromagnetica
FOTONI
• Privi di massa e carica elettrica
• Sono stabili, quindi il raggio d’azione della forza è infinito
Le particelle mediatrici delle forze (bosoni intermedi)
Mediatori della forza debole
BOSONI W+, W- , Z°
• Hanno massa, e le W hanno anche carica elettrica.
• Sono instabili, quindi il raggio d’azione della forza è molto piccolo
Le particelle mediatrici delle forze (bosoni intermedi)
Mediatori della forza forte
GLUONI
• Sono privi di massa e di carica elettrica.
• Sono instabili, quindi il raggio d’azione della forza è molto piccolo
Caratteristiche dei bosoni
Particella Massa Carica Raggio Intensità della . (GeV) d’azione forza
Gluone 0 0 10-15 m 1
Fotone 0 0 infinito 10-2
W+ 81 +1 10-18 m 10-13
W- 81 - 1 10-18 m 10-13
Z° 93 0 10-18 m 10-13
Particelle e forze
I neutrini risentono solo della forza debole
I restanti leptoni risentono sia della debole che di quella elettromagnetica, ma non della forte
I quark risentono di tutte e tre le forze
Le sorgenti delle forze: le cariche
La sorgente della forza elettromagnetica è la carica elettrica: solo le particelle dotate di carica possono interagire secondo le note regole:
cariche opposte si attraggono
cariche uguali si respingono
Nel modello standard, la forza debole è unificata con quella elettromagnetica
Le sorgenti delle forze: le cariche
La sorgente della forza forte è la carica di colore che può assumere tre valori: rosso, verde e blu per i quark, antirosso, antiverde e antiblu per gli antiquark.
I quark non possono mai esistere isolatamente, ma solo in agglomerati di colore bianco. Ad esempio:
Rosso + verde + blu = bianco (dà un protone)
Rosso + antirosso = bianco (dà un mesone)
Gli effetti della forza forte
Per effetto dell’interazione forte, tre quark di colore diverso si uniscono a formare un protone o un neutrone
In effetti, neutroni e protoni sono un “agglomerato” di quark e gluoni
u
d
uu
d
d
Protone Neutrone
Gli effetti della forza forte
L’interazione forte tra i quark di diversi nucleoni li fa unire tra di loro, formando i nuclei degli elementi
Questa forza può far fondere tra di loro due nuclei (fusione nucleare)
Deuterio Elio
Gli effetti della forza elettromagnetica
L’interazione elettromagnetica fa unire gli elettroni ai nuclei per formare gli atomi
Gli effetti della forza elettromagnetica
La residua forza elettromagnetica tra elettroni di atomi diversi fa unire gli atomi a formare molecole, cristalli e in generale corpi macroscopici
Gli effetti della forza debole
La forza debole è responsabile di alcuni fenomeni come il decadimento del neutrone, che si trasforma in un protone, un elettrone e un antineutrino elettronico
Neutrone
Antineutrino
Protone
Elettrone
Cio’ che il modello non spiega
Le intensità delle forze
Non si sa perché la forza elettromagnetica debba avere una certa intensità e la forza debole un’altra
Nel modello standard le diverse intensità sono regolate in modo da soddisfare i dati sperimentali
Cio’ che il modello non spiega
Le masse delle particelle
Non si sa perché le particelle debbano avere le masse che hanno e non altre
Nel modello standard le masse vengono introdotte come dati sperimentali
La teoria di higgs
Nella teoria di Higgs le particelle non hanno massa in origine, ma la acquistano interagendo con un campo di forze, detto campo di Higgs
Questa massa è dunque l’energia di interazione col campo e dipende dall’intensità dell’interazione
La teoria di higgs
Il quanto di questo campo si chiama particella di Higgs, e avrebbe avuto un ruolo decisivo nel Big Bang, producendo l’inflazione
La particella di Higgs finora non è mai stata rilevata
Questioni irrisolte
La forza di gravità
La migliore teoria attuale della gravitazione è una teoria classica (campi senza quanti)
La teoria quantistica non è ancora abbastanza sviluppata e non si integra nel modello standard
Questioni irrisolte
Perché quattro forze?
La questione non è chiara: c’è comunque la possibilità che esista anche una quinta forza, che agisce su scala cosmica e provoca un’accelerazione dell’espansione dell’universo
Questioni irrisolte
La grande unificazione
A grandi energie le forze più intense decrescono e le forze più deboli aumentano di intensità
A un certo punto le quattro forze della natura diventano una sola?
Questioni irrisolte
La grande unificazione
La grande unificazione implica l’esistenza di nuove particelle, dette supersimmetriche, di energia troppo grande per essere rilevate dagli acceleratori
Particelle di questo tipo potrebbero essersi create nei primi istanti del Big Bang
Questioni irrisolte
WIMPS
Particelle massicce debolmente interagenti (wimps) potrebbero essere sopravvissute fino ai giorni nostri e venir rilevate in opportune condizioni
Questioni irrisolte
Un livello più profondo
Le particelle elementari sono veramente elementari o potrebbero essere a loro volta fatte di altre particelle?
Per ora questo argomento è puramente speculativo e non ha basi sperimentali
