Modello Standard … Modello Standard … e oltree oltre
Danilo BabusciDanilo Babusci
Stage Estivi LNF 2013
Fisica delle Particelle ElementariFisica delle Particelle Elementari (FdP)
Si interessa del comportamento fisico dei costituenti fondamentali del mondo, ovvero di oggetti al contempo
molto piccoli e molto veloci
è l’arena naturale per l’esibizione simultanea della Meccanica Quantistica e della Relatività Speciale
piccole dimensioni alte velocità
Meccanica Quantistica (in breve)
Elementi essenziali della descrizione del mondo microscopico (diversi da quelli del mondo macro)
leggi naturali sono di natura probabilistica
posso conoscere soltanto la probabilità di un evento: è (in linea di principio) impossibile prevedere quando decadrà un atomo eccitato
dualità onda-particella
onde e particelle appaiono come aspetti differenti della stessa entità
Meccanica Quantistica (in breve)
particella come onda fenomeni d’interferenza
Meccanica Quantistica (in breve)
A. Tonomura et al. American Journal of Physics 57, 117 (1989)
Meccanica Quantistica (in breve)
onda come particella effetto fotoelettrico
metallo
luce elettroni
• maggiore è l’intensità della luce, maggiore è il numero di elettroni, della stessa energia, emessi
• maggiore è la frequenza della luce incidente, maggiore è l’energia degli elettroni
inspiegabili nell’ambito della fisica classica: l’energia di un’onda e.m. dipende dall’intensità, non da frequenza
Meccanica Quantistica (in breve)
Einstein (1905): l’energia del fascio di luce è distribuita in pacchetti (quanti) di grandezza hinteramente trasferibili all'elettrone
Einstein (1915): nelle interazioni con la materia i quanti trasferiscono, oltre all’energia, anche un impulso (mv)
→ costante di Planck
rafforzato lo status particellare della luce: fotoni
NBmassa fotone = 0
Meccanica Quantistica (in breve)
• elettrone è onda stazionaria all’interno dell’atomo (orbita contiene numero intero di lunghezze d’onda)
Conseguenze natura ondulatoria della materia
Meccanica Quantistica (in breve)
l’energia associata al moto dell’elettrone è quantizzata
• principio d’indeterminazione (Heisenberg)
Meccanica Quantistica (in breve)
incertezza nella posizione
incertezza nell’ impulso
perde senso il concetto di traiettoria
… è concessa violazione arbitraria della legge di conservazione dell’energia purché duri per un tempo corrispondentemente piccolo
Non solo …
Piccolo tempo d’esposizione
Grande tempo d’esposizione
forma SI - velocità NO
forma NO - velocità SI
Meccanica Quantistica (in breve)
L’aspetto probabilistico sembra essere l’essenza ultima delle leggi fondamentali della natura
La fusione dei concetti di onda e particella richiede l’abbandono di alcune idee classiche:
• Onda: rinuncia all’idea di un mezzo materiale che vibra e fornisce supporto alla propagazione
• Particella: rinuncia all’idea della localizzabilità
onda - particella campo quantistico
Campi Quantistici
Fisica Classica
e-e-
e- si avvicinano mutua repulsione rallentati e deviati
azione a distanza
Fisica Quantistica
t
x
e-
e-
e-
e-
e- emette cambia velocità
e- assorbe cambia velocità
interazione = scambio del
Interazioni tra Campi
Campi Fondamentali
Caratterizzazione delle proprietà di trasformazione delle particelle sotto rotazioni spaziali spin
quantità determinata che rappresenta il momento angolare intrinseco della particella
(idea intuitiva di spin: particella come “trottola” in rotazione è falsa: oggetto puntiforme non può ruotare su stesso)
campi suddivisi in 2 grandi categorie
fermioni = spin semidispari (1/2, 3/2, …)
Campi Fondamentali
bosoni = spin intero (0,1, 2, …)
2 tipi diversi di campi osservati in natura
Campi Fondamentali
Campi Materiali
fermioni a spin 1/2
leptoni
quarks
Mediatori Interazioni
bosoni
CampoCampo q/eq/e m (GeV)m (GeV)
6.8 x 10-3-1/3d3 x 10-32/3u
< 3 x 10-90e
5 x 10-4-1e
1^ Famiglia
0.12-1/3s1.22/3c
< 1.9 x 10-40
0.106-1
2^ Famiglia
4.3-1/3b174.32/3t
< 18.2 x 10-30
1.78-1
3^ Famiglia
Campi Materiali
Dove sono il protone, il neutrone, i pioni, … ??
Esperimenti di diffusione di elettroni su protoni/neutroni mostrano che quest’ultimi non sono particelle elementari, ma possiedono componenti interni: quarks (Gell-Mann, Zweig)
Caratteristiche essenziali dei quarks
carica elettrica frazionaria (+/- 1/3, +/- 2/3)
carica di colore ciascun tipo (sapore) esiste in 3 versioni: rosso, verde, blu (antiquarks portano anticolore)
Campi Materiali
Esempio: protone e neutrone tripletti di quarks
p = {u, u, d} n = {d, d, u}
pioni coppie quark-antiquark
+ = {u, }
€
d - = {d, }u
Regole di combinazione dei quarks: solo oggetti bianchi, ovvero {RVB} oppure {colore – anticolore}, a carica elettrica
intera (o nulla)
Natura aborre stati di colore isolati: mai osservati quarks liberi
Campi Materiali
Gravitazione & E.M*.: familiari nella vita quotidiana (causa il raggio d’azione infinito)
Debole*: responsabile della radioattività (decadimento del neutrone n p + e- + e )
Forte: inizialmente ritenuta responsabile del legame nucleare e mediata dal pione. Natura composta di p, n, interpretata come residuo dell’interazione di colore tra quarks mediata da gluoni colorati
(trasportano colore-anticolore 8 combinazioni diverse)
* in realtà manifestazioni di una stessa interazione: Elettrodebole (Glashow, Weinberg, Salam)
Interazioni
Gravitazionale energia 10-43 Q , L
E. M. elettrica 10-2 Q , L
Debole debole 10-15 10-5 Q , L
Forte (Colore) colore 10-13 1 Q
CaricaCarica AzioneAzioneR R (cm)(cm)
ForzaForzaInterazioneInterazione
4 interazioni per spiegare tutto l’Universo
Interazioni
Gravitazionale Gravitone (G) 2 0
Elettromagnetica Fotone () 1 0
Debole 3 Bosoni (W, Z0) 1 80.4, 91.2
Forte (Colore) 8 Gluoni (gi) 1 0
InterazioneInterazione MediatoreMediatore SpinSpin m (GeV)m (GeV)
Interazioni
The Standard The Standard ModelModel
HHiggs boson
GravitGravity ?y ?
Il campo di Higgs
(www.asimmetrie.it)
ASIMMETRIE (n. 8)
Higgs @ LHC
Higgs → 2 fotoni
Higgs → 2 fotoni
? 4 invece di 1 ? così diverse
agiscono su classi diverse di particelle: quella di colore solo sui quarks
intensità completamente differenti
mediate da campi con proprietà diverse
Interazioni
? Gravità così debole
(a bassa energia) tra 2 e- :FCoulomb
FNewton 10-40
Questioni aperte
? 3 Famigliemt 108 me m 10-9 me
? masse cosí diverse
Qual’è la vera origine della massa ?
? Quarks & Leptoni G.U.Theory
Predizione scioccante: decadimento del protone il destino ultimo dell’Universo non prevede la materia di cui siamo fatti
Questioni aperte
esistenza di nuova forma di materia: particelle supersimmetriche soluzione problema della materia oscura ?? (solo 4.5 % della materia dell’universo
è in forma di particelle ordinarie)
? Bosoni & Fermioni Nuova simmetria
correla bosoni & fermioni per ogni bosone (fermione) esiste partner supersimmetrico
fermionico (bosonico)
Supersimmetria
Questioni aperte
Modello Standard + Supersimmetria
E (GeV)
102
101
2
101
4
101
6
101
8
1 0
(In
ten
sit
à)-1
10
50
20
30
40
60e.m.
debole
color
e
gravità
G.U.
e.m.
debol
e
color
e
Questioni aperte
particelle supersimmetriche ?
Higgs
unificazione E.W.
101
2
101
5
101
8
10910610310010-3
E (GeV)
e c b
W
t
unificazione E.W. - Colore
Scala di Planck
? cosí distanti
Problema gerarchico
Questioni aperte
? Gravità incompatibile con M.Q.
? Spaziotempo ha 3 + 1 dimensioni
aggiunta di dimensioni spaziali extra attraverso cui si propaga solo la gravità, mentre le altre interazioni agiscono solo nello spaziotempo ordinario soluzione problema gerarchico
ha a che fare con la “debolezza” della gravità ?
modifica della legge di Newton a piccole distanze
Questioni aperte
Le particelle sono veramente puntiformi ?
Teoria delle Stringhe
ulteriore livello microscopico: particelle non sono puntiformi, ma piccole (10-33 cm) corde oscillanti
diversi stati di oscillazione della stringa particelle diverse
Questioni aperte
Conseguenze della Teoria delle Stringhe:
dimensionalità spaziotempo = 9 + 1
altre 6 dimensioni spaziali sono “arrotolate” su distanze dell’ordine di 10-33 cm inosservabili alle energie a noi accessibili
Questioni aperte
nell’equazione fondamentale della teoria è presente
(D - 10) x (termine problematico)
rende instabile la teoria
risoluzione conflitto M.Q. – Gravitazione
Problema: manca la matematica!!
solo Stringhe ? membrane p-dimensionali
teoria M
viene aggiunta ulteriore dimensione spaziale
Questioni aperte
tra le oscillazioni della stringa una ha massa nulla e spin = 2 → gravitone
Leggi d’interazione universali (indipendenza da luogo e tempo) estrapolazione nel passato (e nel futuro)
AstrofisicaAstrofisica
BiologiaBiologia
Fisica Fisica NucleareNucleare
FdPFdP ChimicaChimica
Astroparticle Physics
t 0 a 0 T ∞ Quale Fisica ?
Gravità Quantistica
t ~ 10-43 s E ~ 1019 GeVEra di Planck