Il Modello Standard delle Particelle e delle Interazioni

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Il Modello Standard delle Particelle e delle
Interazioni

• Marina Cobal
• 25 Novembre 2004

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Di cosa e fatto il mondo?

• Anticamente 4 elementi
• 19mo secolo atomi
• Inizio 20mo secolo electroni, protoni, neutroni
• Oggi quark and leptoni

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L atomo nel 1900...

• Gli atomi interagiscono attraverso reazioni
  chimiche
• Piu di 100 atomi conosciuti (H, He, Fe )
• La struttura interna non era conosciuta ma si
  sapeva di una craica elettrica interna

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Tavola Periodica

• Gli elementi sono raggruppati in famiglie con
  proprieta simili (Gas inerti He, Ne etc.). Si
  arriva alla tavola periodica
• Questo suggerisce una struttura con elementi
  costituenti piu semplici

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Modello per latomo

• Con gli esperimenti si riesce a spaccare gli
  atomi
• Particelle leggere a carica negativa (elettroni)
  intorno ad un nucleo positivo e pesante
• L atomo e praticamente vuoto

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Il nucleo

• Il nucleo e piccolo e denso. Per un po si
  penso che fosse puntiforme
• Ma vi erano tanti nuclei diversi quanti erano gli
  atomi
• Semplificazione tutti i nuclei sono fatti di
  protoni carichi e neutroni neutri.

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Quarks

• Adesso sappiamo 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

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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

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Dimensioni (sub)-atomiche

• Il nucleo e 10,000 volte piu piccolo dellatomo
• Il protone ed il neutrone sono 10 volte piu
  piccoli del nucleo
• Non ci sono evidenze che i quarks abbiano
  dimensione .

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Nuove Particelle

• Collisions of electrons and nucleii in cosmic
  rays and particle accelerators beginning in the
  1930s led to the discovery of many new particles
• Some were predicted but many others came as
  surprises
• Muon like a heavy electron Who ordered that?
• At first, all of them were thought to be
  fundamental

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Allinizio erano poche
E molte piu.
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Introducendo i quarks..
La mia tesi di Dottorato!! Supervisori H.
Grassmann, G. Bellettini
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Cosa e fondamentale?

• I fisici hanno trovato centinaia di nuove
  particelle
• Oggi sappiamo che la maggior parte non sono
  fondamentali
• Abbiamo sviluppato una teoria, detta Modello
  Standard, che sembra spiegare bene quello che
  osserviamo in natura
• Questo modello include 6 quarks, 6 leptoni e 13
  particelle che trasportano le forze tra quarks e
  leptoni

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Di cosa e fatto il mondo?

• Il mondo reale non e composto da singoli quarks
• I quarks esistono solo in gruppi, a formare I
  cosiddetti adroni (protoni e neutroni sono
  adroni)
• Esempio un protone e composto da 2 quark di
  tipo up e da un quark di tipo down
• La materia che ci circonda e noi stessi e
  composta da quark up e down e da elettroni

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Famiglie

• I 6 quarks ed I 6 leptoni sono organizzati in
  famiglie
• Le 3 famiglie presentano analogie
• Perche servono una seconda ed una terza
  generazione?
• I quarks hanno carica frazionaria (2/3 e -1/3).
  I leptoni hanno carica -1 o 0

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Ed i leptoni?

• Ci sono 6 leptoni, 3 carichi e 3 neutri
• Appaiono essere particelle puntiformi senza una
  struttura interna.
• Gli elettroni sono i piu comuni e sono quelli
  che si trovano nella materia ordinaria.
• Muoni (m) e taus (t) sono piu pesanti e carichi
  come lelettrone.
• I neutrini non hanno carica, ed hanno una massa
  estremamente piccola.

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Materia ed Antimateria

• Per ogni particella trovata, esiste una
  corrispondente particella di antimateria, o
  anti-particella.
• Queste particelle appaiono come le loro sorelle
  di materia, ma hanno carica opposta.
• Le particelle sono create o distrutte in coppia.

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Quattro Forze

• Ci sono 4 interazioni fondamentali in natura
• Tutte le forse possono essere attribuite a queste
  interazioni
• La gravita e attrattiva, le altre possono
  essere repulsive
• Le interazioni sono anche responsabili dei
  decadimenti

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Come interagiscono le particelle?

• Gli oggetti possono interagire senza toccarsi
• Come esercitano la loro attrazione repulsione i
  magneti?
• Come il Sole attrae la Terra?
• Una forza e qualcosa che si comunica tra gli
  oggetti

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Elettromagnetismo

• Le forze elettromagnetiche fanno si che cariche
  opposte si attraggano e cariche uguali si
  respingano
• Il portatore della forza e il fotone (g)
• Il fotone e senza massa e si propaga alla
  velocita della luce

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E-M residua

• Normalmente gli atomi sono neutri avendo lo
  stesso numero di protoni e neutroni
• La parte carica di un atomo puo attrarre la
  parte carica di un altro atomo
• Gli atomi si possono cosi legare in molecole.

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Perche un nucleo non esplode?

• Un nucleo pesante contiene molti protoni, tutti
  con carica positiva
• Questi si respingono
• Perche allora il nucleo non esplode?

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Forza Forte

• In aggiunta alla carica elettrica, i quarks
  portano anche un nuovo tipo di carica, detta
  carica di colore
• La forza tra le particelle che hanno carica di
  colore e detta forza forte

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Il Gluone

• La forza forte tiene insieme i quarks a formare
  gli adroni. I portatori della forza forte sono i
  gluoni ci sono 8 diversi gluoni
• La forza forte agisce solo su corte distanze

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Colore e Anti-colore

• Ci sono 3 cariche di colore e 3 cariche di
  anti-colore
• Notare che questi colori non hanno niente a che
  fare con il colore e con la luce visibile..e
  solo un modo di descrivere la fisica

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Quark colorati e gluoni

• Ogni quark ha una delle 3 cariche di colore ed
  ogni antiquark ha una delle 3 cariche di
  anti-colore
• Barioni e mesoni sono neutri in colore

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Confinamento dei quarks

• La forza di colore diventa piu forte a grandi
  distanze
• Le particelle con carica di colore non possono
  esistere isolate
• I quarks sono confinati con altri quarks a
  formare gli adroni
• I composto sono neutri in colore

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I quarks emettono gluoni

• Quando un quark emette o assorbe un gluone, il
  colore del quark cambia affinche la carica di
  colore si conservi
• Un quark rosso emette un gluone rosso/anti-blu e
  diventa blu

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Forza forte residua

• La forza forte tra i quarks in un protone ed i
  quarks in un altro protone e abbastanza intensa
  da superare la forza di repulsione
  elettromagnetica.

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Forza debole

• Le interazioni deboli sono responsabili del
  decadimento dei quarks e dei leptoni pesanti in
  quarks e leptoni piu leggeri
• Esempioil neutrone decade in protoneelettronene
  utrino
• Questo spiega perche tutta la materia e
  composta dai leptoni e quarks piu leggeri

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Forza elettrodebole

• Nel Modello Standard la forza elettromagnetica e
  quela debole sono state unificate in una unica
  forza eletro-debole
• A distanza molto piccole (10-18 meters), le
  interazioni deboli ed elettromagnetiche hanno la
  stessa intensita
• I portatori della forza sono, fotoni, W e Z.

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E la gravita?

• La gravita e molto debole
• E importante a distanze macroscopiche
• Il portatore della forza gravitazionale, il
  gravitone, e predetto dalla teoria ma non e mai
  stato osservato

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Riassunto delle interazioni
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Quanto Meccanica

• Il comportamento di atomi e particelle e
  descritto dalla Meccanica Quantistica
• Certe proprieta, come lenergia, possono avere
  solo certi valori discreti, non sono un continuo
• Le proprieta della particella sono descritte da
  questi valori (numeri quantici) come
• Carica Elettrica
• Carica di colore
• Sapore
• Spin

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Il principio di esclusione di Pauli

• Possiamo usare le proprieta quantistiche delle
  particelle per classificarle.
• Alcune particelle, dette Fermioni, obbediscono al
  principio di Esclusione di Pauli, mentre altre
  i bosoni no.

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Fermioni e Bosoni
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Che cosa tiene il mondo insieme?

• Abbiamo imparato che il mondo e fatto da 6
  quarks e 6 leptoni
• Tutto quello che vediamo e un agglomerato di
  quarks e leptoni. Cosa li tiene insieme?
• Ci sono quattro forze diverse, caratterizzate da
  diversi portatori.

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Il nucleo instabile

• Abbiamo visto che le forze forti tengono il
  nucleo insieme contrapponendosi alle forze di
  repulsione tra i protoni
• Tuttavia non tutti i nuclei sono stabili
• Alcuni decadono

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Decadimento nucleare

• Il nucleo puo scindersi in nuclei piu piccoli
• E come se dal nucleo saltassero fuori dei suoi
  pezzi piu piccoli
• Questo succede per esempio in un reattore nucleare

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Decadimento del muone

• E un esempio del decadimento di una particella
• Qui le particelle prodotte non sono pezzi
  della particella iniziale, ma sono altre
  particelle completamente nuove.

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Massa mancante

• Nella maggior parte dei decadimenti, le
  particelle od il nucleo che rimangono hanno una
  massa totale minore della massa della particella
  o del nucleo originario.
• La massa mancante si e trasformata in energia
  cinetica dei prodotti di decadimento

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Mediatori del decadimento

• Quando una particella decade, si trasforma in una
  particella piu leggera ed in una particella
  portatrice delle forze (il bosone W)
• Una particella decade se la sua massa totale e
  maggiore della somma delle masse dei prodotti di
  decadimento e se ce una forza che media il
  decadimento

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Particelle Virtuali

• Particles decay via force-carrier particles
• In some cases, a particle may decay via a
  force-carrier that is more massive than the
  initial particle
• The force-carrier particle is immediately
  transformed into lower-mass particles
• The short-lived massive particle appears to
  violate the law of energy conservation

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Annichilazione

• Non sono decadimenti ma avvengono ugualmente
  grazie a particelle virtuali
• Lannichilazione di quarks leggeri ad energie
  elevate puo portare alla produzione di quarks
  pesanti nel laboratorio

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Annichilazione dellantiprotone

• Questa camera a bolle mostra un antiprotone che
  urta contro un protone, annichilando e producendo
  8 pioni. Uno dei pioni decade poi in un muone ed
  un neutrino (che non lascia nessuna traccia)

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Decadimento beta del neutrone
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Annichilazione elettrone-positrone
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Produzione di top
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Misteri e Fallimenti

• Il Modello Standard e una teoria dell universo
• Da una buona descrizione dei fenomeni che
  osserviamo sperimentalmente
• Sotto molti aspetti e incompleto perche ci
  sono 3 generazioni? Che cosa e la materia oscura?

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E sbagliato il Modello Standard?

• Dobbiamo adesso andare oltre il Mdello Standard,
  proprio come Einstein ha esteso le leggi della
  meccanica di Newton con la Teoria della
  Relativita.
• Dobbiamo farlo per spiegare le masse, la gravita
  etc

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Tre famiglie

• Ci sono 3 famiglie di particelle fondamentali
• Perche sono 3?
• E perche ne vediamo solo una nel mondo reale?

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E cosa si puo dire sulle masse?

• Il Modello Standard non puo spiegare perche una
  particella ha una certa massa
• I fisici hanno teorizzato lesistenza di un nuovo
  campo, detto di Higgs, che interagisce con le
  altre particelle per dare loro la massa.
• Per adesso lHiggs non e stato psservato
  sperimentalmente.

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Teoria di Grande Unificazione

• Si crede che una GUT unifichera le forze forte,
  debole ed elettromagnetica
• Queste 3 forse saranno allora visibili come
  manifestazioni diverse a bassa energia di una
  stessa forza
• Le 3 forze si unirebbero ad una energuia alquanto
  elevata.

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Supersimmetria

• Alcuni fisici, nel tentativo di unificare la
  gravita con le altre forze fondamentali, hanno
  suggerito che ogni particella fondamentale
  dovrebbe avere una particella ombra (shadow).
  Sono piu di 20 anni che cerchiamo queste
  particelle supersimmetriche

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• La fisica di oggi ha teorie per la meccanica
  quantististica, per la relativita e per la
  gravita, ma queste teorie sono separate.
• Se vivessimo in un mondo con piu di 3 dimensioni
  spaziali forse si potrebbe superare questo
  problema.
• La teoria delle stringhe suggerisce che in un
  mondo in cui ci sono le 3 dimensioni standard, e
  qualche dimensione addizionale purche piccola,
  le particelle sono stringhe

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Extra Dimensioni

• La Teoria delle stringhe richiede piu delle 3
  dimensioni
• Queste extra dimensioni possono essere cosi
  piccole che non le possiamo vedere
• Gli esperimenti adesso cercano evidenze per
  queste extra dimensioni

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Materia Oscura

• Sembra che lUniverso non sia fatto della stessa
  materia come il nostro Sole e le stelle
• La materia oscura esercita una attrazione
  gravitazionale sulla materia, ma non e stata
  ancora rivelata.

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L Universo in accelerazione

• Esperimenti recenti che utilizzano Supernovae di
  Tipo Ia hanno mostrato che l Universo si sta
  ancora espandendo e che il rate di espansione sta
  aumentando
• Questa accelerazione deve essere guidata da un
  nuovo meccanismo che e stato chiamato energia
  oscura.

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LUniverso in espansione

• Gli studi sulla piu lontana Supernova indicano
  che l Universo ha attraversato una fase di
  rallentamento dell espansione
• Attualmente l Universo sta accelerando.

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(No Transcript)
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Conclusioni

• Il Modello Standard e una potente sintesi che
  spiega un gran numero di osservazioni
  sperimentali. Rappresenta per la fisica quello
  che la biologia e per levoluzione
• Ci sono ancora molte domande aperte. La teoria
  delle stringhe per adesso NON da nessuna risposta!

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E se vi interessa..

• Venite a trovarci al Dipartimento di Fisica dell
  Universita di Udine!
• Un grazie alla Prof. Michelini e a
• CIRD (Centro Interdipartimentale Ricerca
  Didattica)
• URDF (Unita di Ricerca Didattica della Fisica)
• CLDF (Centro Laboratorio Didattica della
  Fisica)