Il Modello Standard

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Il Modello Standard

• Domizia Orestano
• Università Roma Tre
• Master Classes 9/3/2005

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Sommario

• La ricerca dei costituenti elementari della
  materia
• Tre famiglie di mattoni elementari
• Quattro forze fondamentali mediatori e cariche
• Lantimateria e lannichilazione
  materia-antimateria
• Decadimenti (Z0 e t)

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Gli atomi

• John DALTON (1766-1844) per spiegare le
  osservazioni sul comportamento dei gas formula
  lipotesi che gli elementi siano composti di
  particelle indivisibili gli atomi.

• Dimitri MENDELEÏEV (1834-1907) organizza tutti
  gli elementi allora noti in uno schema che mette
  in evidenza la periodicità delle loro proprietà.

• Lesistenza di una simmetria è un indicatore di
  una possibile struttura interna!

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La struttura atomica

• 1895-1900
• scoperta dei raggi X (W.Roentgen)
• scoperta della radioattività naturale (P.M.
  Curie, H.Becquerel)
• scoperta dellelettrone (J.J.Thomson)
• Latomo non è indivisibile!
• Il modello atomico di Thomson
• Un numero Z di elettroni
• Una distribuzione continua di cariche positive
• Lesperimento di Rutherford

?
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Il modello atomico di Bohr

• Un nucleo carico positivamente (Ze) in cui si
  concentra praticamente tutta la massa, circondato
  da una nuvola di Z elettroni.

• Latomo e in gran parte vuotoin un modello
  in scala in cui il nucleo è un pallone da calcio,
  gli elettroni si muovono sulla parte piu lontana
  delle tribune

NB Se il Colosseo fosse pieno, misurerebbe
18 mm !!!!
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Il nucleo atomico

• Esistenza degli isotopi (elementi con lo stesso
  numero di elettroni ma diversa massa)
• Problemi con il momento angolare intrinseco
  (spin) dei nuclei

Ma in presenza della sola forza elettromagnetica
non potrebbe essere stabile!
Anche il nucleo è un sistema composto da Z
protoni e da (A-Z) neutroni
E tenuto insieme dalla interazione forte.
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Una miriade di nuove particelle

• Dagli anni 30 in poi sono state scoperte
  tantissime nuove particelle, nelle interazioni
  dei raggi cosmici e dei fasci prodotti dagli
  acceleratori

• Si distinguono due categorie principali
• Leptoni, che non interagiscono in modo forte
• Adroni, che risentono della forza forte

• Gli adroni possono essere classificati in sistemi
  dotati di simmetrie
• Anche in questo caso potrebbe esserci una
  struttura interna!

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I mattoni elementari quark e leptoni

• Modello a quark introdotto per giustificare le
  simmetrie osservate. Carica elettrica
  frazionaria. Tre stati diversi (colori) per ogni
  quark. Adroni composti da 3 quark o da coppie
  quark-antiquark.
• Non si osservano quark liberi
• sono confinati allinterno degli adroni
• Sia per i quark che per i leptoni sono presenti
  tre famiglie o generazioni apparentemente con le
  stesse proprietà ad eccezione della massa

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I costituenti della materia
taglia in atomi
taglia in metri
atomo
Lo spazio è quasi completamente vuoto sono le
forze che realizzano la solidità degli oggetti
nucleo
nucleone
quark/elettrone
(al max)
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Le forze o interazioni

• Tutte le forze osservate in natura sono
  riconducibili a
• 4 interazioni fondamentali
• Mediate dallo scambio di particelle
• Responsabili
• della coesione della materia
• del suo decadimento

Linterazione avviene grazie allo scambio di
particelle
Intensità 10-38 10-5
10-2 1
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Le cariche

• Lintensità di una interazione tra particelle
  dipende dalla costante di accoppiamento (carica)
  tra queste e la particella mediatrice

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Antiparticella

• Ipotesi formulata da DIRAC (1931)
• Un oggetto con stesse caratteristiche della
  particella corrispondente ad eccezione della
  carica elettrica che cambia segno (e dei momenti
  magnetico ed elettrico)
• ANDERSON scopre lantiparticella dellelettrone,
  il positrone, nel 1932
• Tutte le particelle hanno unantiparticella (e,
  m, n, p) che in alcuni casi coincide con la
  particella stessa (p0, g)

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Annichilazione

• Negli anelli di collisione vengono fatti
  incontrare fasci di elettroni e di positroni (o
  di protoni).
• Linterazione di una particella con la sua
  antiparticella porta alla loro annichilazione
  ovvero al trasferimento di tutta la loro massa e
  la loro energia cinetica ad uno stato virtuale,
  ed in particolare ad un fotone o ad uno Z0. A LEP
  lenergia dei fasci è stata scelta per produrre
  bosoni Z0 reali.

• Dopo un tempo molto breve lo stato virtuale
  produce nuovamente una coppia particella-antiparti
  cella.

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Decadimenti

• Quasi tutte le particelle elementari sono
  instabili
• Decadono in particelle di massa inferiore con
  tempi caratteristici che dipendono
  dallinterazione responsabile della
  disintegrazione
• Esempio decadimento del K in pp0

osservazione
interpretazione
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Decadimenti dello Z0

• Nel misterioso mondo quantistico in cui vivono le
  particelle, ogni singola particella Z deve
  decadere, ma è impossibile sapere in anticipo in
  quale tipo di particelle decadrà. Tutto ciò che
  si può dire è che ha una certa probabilità di
  decadere in un certo tipo di particelle e le
  frequenze dei diversi tipi di decadimento possono
  essere calcolate teoricamente nel Modello
  Standard
• Una particella Z può decadere in
• due elettroni (Z0? e e- )
• due muoni (Z0? m m-)
• due particelle tau (Z0? t t- )
• due neutrini (Z0? n n) (nne,nm,nt)
• due quark (Z0? q q ) (qu,d,c,s,b ma non t che
  è troppo pesante)

3,3
3,3
10
3,3
INVISIBILE!
20
70
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Decadimenti del t

• Decadimenti deboli mediati dallo scambio di un
  bosone W
• t- ? m- nm nt
• t- ? e- ne nt
• t- ? h- ng nt
• t- ? h- h h- ng nt
• (h indica un generico adrone)
• In un evento Z0? t t- si hanno 2 t che
  decadono indipendentemente e si possono avere
  stati finali con
• 2 elettroni
• 2 muoni
• 1 elettrone e 1 muone
• 1 elettrone e adroni
• 1 muone e adroni
• adroni

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18
49
15
17
3 famiglie

• Gli esperimenti LEP hanno misurato la probabilità
  che una Z decadesse producendo particelle
  visibili nel rivelatore in funzione dellenergia
  di collisione elettrone-positrone.
• Le tre linee colorate corrispondono alle
  previsioni della teoria per 2, 3 e 4 famiglie di
  particelle.
• I dati sono in ottimo accordo con la curva per
  tre famiglie.

• Se le nostre teorie sono corrette, allora le tre
  famiglie di particelle che già conosciamo sono
  già tutto quanto cè da conoscere. Ciò che non ci
  dice, tuttavia, è perché la natura abbia scelto
  di fare due copie della famiglia fondamentale di
  particelle...

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e e-?Z0? e e-
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e e-?Z0? m m-
20
e e-?Z0? q q