la fisica del microcosmo - fis.unipr.it - parte... · costante di planck quantità di moto serve...
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Fisica 24 ore
La Fisica del Microcosmo
Dalla Meccanica Quantistica al Modello Standard delle Particelle Elementari
Le due grandi rivoluzioni dell�inizio �900:Meccanica Quantistica Relatività
E = mc 2
Equazione di Dirac
(ihγµ∂µ − m)ψ(x) = 0
L�equazione di Dirac descrive correttamente le proprietà dell�elettrone
Ma fa anche altro:
Prevede l�esistenza di una particella sconosciuta, identica all�elettrone, ma con carica elettrica
positiva invece di negativa
Dirac prevede il positrone
N.B. la MATEMATICA suggerisce la FISICA
N.M.B. naturalmente, occorre controllare che sia vero!!!
La scoperta sperimentale del positrone
Nel 1932 Carl Anderson verificasperimentalmente la previsione di Dirac
La curvatura (particella carica in campo magnetico)ci dice che è una particella con carica POSITIVA
F = q(v × B) Forza diLorentz
Una miriade di nuove particelleDopo il positrone i fisici cominciano a scoprire tantissime nuove particelle, diverse da quelle che costituiscono normalmente la materia (protone, neutrone ed elettrone): π, K, µ, Λ, ν, ω, ρ, ���.. etc etc etc
Enrico Fermi: �Ragazzo, se io potessi ricordare il nomedi tutte queste particelle sarei un botanico!�
Ma allora: cosa significa FONDAMENTALE??
Di cosa siamo veramente �fatti�?Di cosa siamo veramente �fatti�?
Il problema della risoluzione:più in dettaglio guardate, più dettagli vedete
Teoria:
È una fotoÈ un uomo�UHMMMMMM�.È una MIA foto�uhmmmmm�.È qualcun altro
Esperimento:
Ricordate λλλλ = h/p ?
lunghezza d�onda
costante di Planck
quantità di moto
Serve una grande energia per ottenere una piccola lunghezza d�onda ( = grande risoluzione)
Large Hadron ColliderAcceleratore protone-protone incostruzione al CERN. Pronto nel 2007
Energia ~ 2 × 7000 volte la massa del protone ⇒ λ ~ 10-18 m
27 km di circonferenza
Costo ~ 2.2 miliardi di euro
LHC nella campagna franco-svizzera attorno al CERN
N.B. Il tunnel è completamente sotterraneo
LHC
SppS-
CERN
1900 - 1930: poche particelle (protone, neutrone, elettrone) Elementari?
1930 - 1960: esperimenti -> tantissime particelle Grande confusione!!
1960 - 1970: inizia ad emergere un ordine(quark, leptoni, 4 forze)
1970 - ????: il Modello Standard
I leptoni
Tre famiglie, ognunacontenente un �elettrone�e un neutrino
Muone: particella identicaall�elettrone, eccetto che per la massa, 200 volte maggiore
Neutrino: introdotto daWolfgang Pauli ed Enrico Fermi per preservare la conservazione dell�energia nel decadimento beta del neutrone
n → p + e− +ν e
I.I. Rabi: �Il muone, ma chi l�ha chiesto?�
I quark
Murray Gell-Mann
Up e down costituiscono la materia ordinaria (p = uud, n = udd)
Gli altri (�Ma chi li ha chiesti?�) compongono tutte le altre particelle osservate
�Three quarks for Muster Mark �J. Joyce, Finnegan�s Wake
Le 4 forze (= interazioni)
Ogni forza è trasportata da una specifica particellaCarlo Rubbia e Simon van der MeerPremio Nobel per la Fisica 1984 per la scopertaal CERN di Ginevra dei bosoni vettori W e Z,portatori della forza debole
Intensità 10-38 10-5 10-2 1
Il Modello Standard
�riassunto� delle attuali conoscenze circa la fisicadelle interazioni fondamentali:
� individua le particelle fondamentali� individua le forze fondamentali (e.m., debole, forte)� detta le regole attraverso cui le particelle interagiscono
tramite le forze (esempio: conservazione della carica elettrica)� permette di effettuare previsioni teoriche confrontabili
con gli esperimenti
Il Modello Standard
Sheldon Lee Glashow
AbdusSalam
StevenWeinberg
Premio Nobel per la Fisica 1979
Richard P.Feynman
JulianSchwinger
Sin-ItiroTomonaga
Premio Nobel per la Fisica 1965( www.nobel.se/physics/laureates/1965/ )
( www.nobel.se/physics/laureates/1979/ )
QED
Interazionielettrodeboli
E le interazioni forti (QCD)?? Niente Nobel per ora!
Dimensioni
Se l�atomo fosse un campo da calcio (100 m), il nucleo sarebbe una biglia (1 cm)
Lo spazio è quasi totalmente vuoto! Sono le forze che �creano� la solidità degli oggetti
Distanze
Perché la gravità e l�elettromagnetismo ci sono familiari,mentre non sapevamo nulla della forza debole e di quella forte?
Perché hanno raggio d�azione INFINITO, mentre le forzedebole e forte sono confinate a BREVI DISTANZE
Un esempio di interazione tra particelle elementari
e+e− → D+D−
Elettrone e positrone si scontrano. La forza elettrodebole produce un charm e un anticharm
Il charm e l�anticharm si allontanano. La forza forte fa nascere un down e un antidown, e li lega a charm e anticharm per formare le particelle osservabili D
La forza forte è speciale: CRESCE allontanando le particelle
Nel campo di forze che si crea nascono nuovi quark, chesi legano ad altri e formano le particelle osservate
Non possiamo mai osservare i quark singolarmente.
Il bosone di Higgs
Il Modello Standard prevede unaparticella tuttora sconosciuta, il bosone di Higgs
L�Higgs è necessario affinché i quark, i leptoni, le particelle che trasportano le forze abbiano una MASSA
O almeno�� così dice il Modello Standard
È per verificarlo sperimentalmente che si costruisce l�LHC
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