IL MODELLO                STANDARD      presentazione semplice tratta dahttp://www.infn.it/multimedia/particle/paitaliano/...
LETERNO MISTERO DEL MONDOÈ LA SUA COMPRENSIBILITÀLuomo da sempre si pone (tra lealtre) due domande:"Di cosa è fatto il mon...
IL MODELLO STANDARDI fisici hanno elaborato una teoria,chiamata Modello Standard, chevuole descrivere sia la materia chetu...
INIZIA IL VIAGGIO....Iniziamo il viaggio alla ricerca dellessenziale,viaggio fatto di grandi "unificazioni" tra cose efeno...
I QUATTRO ELEMENTIEmpedocle (500 a. C.)Varianti cinesi e indiane con5 elementi
ATOMIDemocrito (400 a. C.)Opinione è il dolce,Opinione è lamaro,Opinione è il caldo,Opinione è il freddo,Opinione è il col...
ATOMI COME PALLINEDalton, 1800 d. C.1. La materia è formata da atomi piccolissimi,   indivisibili e indistruttibili.2. Tut...
ATOMI NON-ATOMICI1900 d. C.Latomo dovrebbe essere indivisibile ma...•   Thompson scopre lelettrone dentro latomo(raggi    ...
ARRIVANO I QUARK1960 d. C.Murray Gell-Mann e Zweig:protoni e neutroni formati daquark, particelle elementari(finalmente?) ...
VEDIAMO LINSIEME                Di che atomo si tratta?
METTIAMO INSIEME I PEZZI                     Ecco latomo in                     scala...
COSA È LA MATERIA: FACCIAMOIL PUNTO.I fisici hanno scoperto circa200 particelle (di cui lamaggior parte non sono“fondament...
POCHI INGREDIENTIIl punto di forza del Modello Standard, quelloche lo rende capace di spiegare così tantecose, è il riport...
LEPTONICi sono sei leptoni, dei quali tre hanno carica elettrica e tre no. Il leptone caricopiù conosciuto è lelettrone (e...
LEPTONI SOLITARII leptoni, come i felini, che sonoindipendenti e solitari, possonoesistere senza la compagnia dialtre part...
LE FAMIGLIE DEI QUARKSCi sono sei tipi di quark, ma i fisici di solito li raggruppano in tre coppie: Up/Down,Charm/Strange...
ADRONI: ANIMALI SOCIALICome gli elefanti, che sono animali sociali, i quark vivono solo insiemead altri quark.I singoli qu...
3 GENERAZIONIQuark che i leptoni esistono in 3 serie distinte.Ognuna di queste serie viene chiamata generazione diparticel...
CÈ ALTRO?Dal momento che non abbiamo quasi mai osservato le generazioni più alte delleparticelle materiali, si pone il pro...
QUINDI: DI COSA È FATTO ILMONDO?
COSA TIENE INSIEME IL MONDO?Dopo aver capito come è fatta la materiaelementare vogliamo capire quali sono leFORZE fondamen...
LE FORZE FONDAMENTALITra le particelle elementari agiscono 4 tipi di forze ovvero tutte le forza sonoriconducibili a quest...
LE FORZE “A DISTANZA”Se prendi due magneti e avviciniil polo nord di uno al polo norddellaltro, i magneti si respingono- s...
GLI EFFETTI INVISIBILIUna persona improvvisamentecerca di afferrare un qualcheoggetto invisibile, e viene spintaindietro d...
IL CONTATTO “A DISTANZA”Si è capito che tutte le interazioni (o forze) che riguardano le particelle materialisono dovute a...
GRAVITÀLa forza gravitazionale è probabilmente laforza che ci è più familiare, ma non ècompresa nel Modello Standard perch...
FORZA ELETTROMAGNETICA E necessario avere ben chiaro in mente che la carica elettrica (positiva/negativa) e il magnetismo ...
LA COLLA DELLE MOLECOLE Gli atomi di solito hanno un numero uguale di protoni ed elettroni. Quindi sono elettricamente neu...
FORZA FORTE E CARICA DI COLOREE stato stabilito che alcune particelle (iquark e i gluoni) hanno una carica che nonè di tip...
LA COLLA DEI NUCLEIIl nucleo atomico è fatto da protoni che sirespingono perché hanno uguale carica.Cosa tiene insieme il ...
FORZA NUCLEARE DEBOLE Ci sono 6 tipi di quark e 6 tipi di leptoni. Ma tutta la materia stabile delluniverso è composta dai...
FERMIONI E BOSONIOra che sai alcune cose sulle particelle materiali esulle particelle mediatrici di forza, puoi impare con...
FERMIONIUn fermione è qualunque particella il cui momentoangolare intrinseco (spin) ha un valore multiplodispari di 1/2 (1...
BOSONII bosoni sono le particelle il cui spin ha misuraintera ( 0, 1, 2...) misurato in unità h-bar (h-tagliato).Sono boso...
OLTRE IL MODELLO STANDARDIl Modello Standard non è una teoria completa, perché non èancora in grado di spiegare pienamente...
IL BOSONE DI HIGGSSi suppone che unaparticella acquisti lamassa che gli èpropria in seguito allasua interazione con ilboso...
LA “DARK MATTER”Nelluniverso le galassie e le stelle appaionomuoversi come se ci fosse più massa diquella “visibile” con g...
DOVÈ TUTTA LANTIMATERIATutta la materia che ci circonda, dai nostri corpifino ai più remoti pianeti, è formata da atomi:si...
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Il Modello Standard

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Presentazione semplice basata su http://www.infn.it/multimedia/particle/paitaliano/startstandard.html
usata nell'incontro di preparazione della conferenza del prof. Bertolucci del 19 maggio 2012 presso Romero di Albino

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Il Modello Standard

  1. 1. IL MODELLO STANDARD presentazione semplice tratta dahttp://www.infn.it/multimedia/particle/paitaliano/startstandard.html
  2. 2. LETERNO MISTERO DEL MONDOÈ LA SUA COMPRENSIBILITÀLuomo da sempre si pone (tra lealtre) due domande:"Di cosa è fatto il mondo?" ovvero"Cosa è la materia?""Cosa lo tiene insieme?" ovvero"Cosa sono le forze?"
  3. 3. IL MODELLO STANDARDI fisici hanno elaborato una teoria,chiamata Modello Standard, chevuole descrivere sia la materia chetutte le forze delluniverso (esclusala gravità). La sua bellezza sta nellacapacità di spiegare lesistenza dicentinaia di particelle e interazionicomplesse sulla base di pocheparticelle e interazioni fondamentali.
  4. 4. INIZIA IL VIAGGIO....Iniziamo il viaggio alla ricerca dellessenziale,viaggio fatto di grandi "unificazioni" tra cose efenomeni in apparenza molto diversi....
  5. 5. I QUATTRO ELEMENTIEmpedocle (500 a. C.)Varianti cinesi e indiane con5 elementi
  6. 6. ATOMIDemocrito (400 a. C.)Opinione è il dolce,Opinione è lamaro,Opinione è il caldo,Opinione è il freddo,Opinione è il colore;Verità gli atomi e il vuoto.
  7. 7. ATOMI COME PALLINEDalton, 1800 d. C.1. La materia è formata da atomi piccolissimi, indivisibili e indistruttibili.2. Tutti gli atomi di uno stesso elemento sono identici e hanno uguale massa.3. Gli atomi di un elemento non possono essere convertiti in atomi di altri elementi.4. Gli atomi di un elemento si combinano, per formare un composto, solamente con numeri interi di atomi di altri elementi.5. Gli atomi non possono essere né creati né distrutti, ma si trasferiscono interi da un composto ad un altro.
  8. 8. ATOMI NON-ATOMICI1900 d. C.Latomo dovrebbe essere indivisibile ma...• Thompson scopre lelettrone dentro latomo(raggi catodici)• Rutherford scopre nucleo atomico (radioattività, scattering)• Chadwick scopre il neutrone (radioattività)
  9. 9. ARRIVANO I QUARK1960 d. C.Murray Gell-Mann e Zweig:protoni e neutroni formati daquark, particelle elementari(finalmente?) con caricafrazionaria
  10. 10. VEDIAMO LINSIEME Di che atomo si tratta?
  11. 11. METTIAMO INSIEME I PEZZI Ecco latomo in scala...
  12. 12. COSA È LA MATERIA: FACCIAMOIL PUNTO.I fisici hanno scoperto circa200 particelle (di cui lamaggior parte non sono“fondamentali”).
  13. 13. POCHI INGREDIENTIIl punto di forza del Modello Standard, quelloche lo rende capace di spiegare così tantecose, è il riportare tutte le particelle osservatea:● 6 tipi di leptoni● 6 tipi di quark, e...● particelle mediatrici di forzaOgni particella di materia ha la suacorrispondente di “antimateria”.
  14. 14. LEPTONICi sono sei leptoni, dei quali tre hanno carica elettrica e tre no. Il leptone caricopiù conosciuto è lelettrone (e). Gli altri due leptoni carichi sono il muone (µ) e iltau, che sono fondamentalmente elettroni con molta più massa. I leptoni carichisono tutti negativi.Gli altri tre leptoni sono gli elusivi neutrini. Non hanno carica elettrica, e hannomassa piccolissima, o forse non ce lhanno per niente. Cè un tipo di neutrinoche corrisponde a ogni tipo di leptone con carica elettrica.Per ciascuno dei sei leptoni cè un leptone di antimateria (antileptone) conmassa uguale e carica opposta.
  15. 15. LEPTONI SOLITARII leptoni, come i felini, che sonoindipendenti e solitari, possonoesistere senza la compagnia dialtre particelle. I quark, invece,si trovano solo in gruppi.Attualmente, non abbiamoalcuna prova sperimentale che ileptoni abbiano una strutturainterna, nè una dimensione.
  16. 16. LE FAMIGLIE DEI QUARKSCi sono sei tipi di quark, ma i fisici di solito li raggruppano in tre coppie: Up/Down,Charm/Strange, e Top/Bottom.Per ciascuno di questi quark esiste il corrispondente quark di antimateria(antiquark).I quark hanno linsolita caratteristica di avere carica elettrica frazionaria, di 2/3 o-1/3, diversamente dagli elettroni, che hanno carica -1, e dai protoni, che hannocarica +1.I quark sono dotati anche di un altro tipo di carica, chiamata carica di colore, dicui poi parleremo.
  17. 17. ADRONI: ANIMALI SOCIALICome gli elefanti, che sono animali sociali, i quark vivono solo insiemead altri quark.I singoli quark hanno cariche elettriche frazionarie. Ma queste carichefrazionarie non sono mai state osservate direttamente perché i quarknon vanno mai in giro da soli; invece, li trovi in gruppi a formare delleparticelle composte, chiamate adroni. La somma delle cariche elettrichedei quark che compongono un adrone è sempre un numero intero.Mentre ogni quark ha una carica di colore, gli adroni sono neutri dicolore.I barioni I barioni sono gli adroni composti da tre quark (qqq). Per esempio, iprotoni sono composti da 2 quark up e 1 quark down (uud), e i neutronida 1 up e 2 down (udd).I mesoni I mesoni contengono un quark e un antiquark. Per esempio, un pionenegativo è composto da 1 anti-up e 1 down.
  18. 18. 3 GENERAZIONIQuark che i leptoni esistono in 3 serie distinte.Ognuna di queste serie viene chiamata generazione diparticelle materiali.Una generazione è una serie di quark e leptoni, un tipo perogni carica. Ogni generazione è tendenzialmente più pesantedella serie precedente.Tutta la materia visibile nelluniverso è composta dalla primagenerazione di particelle materiali: quark up e down, ed elettroni.La seconda e la terza generazione sono instabili, e decadono inparticelle della prima generazione.E per questo motivo che tutta la materia stabile delluniverso è fatta dalleparticelle della prima generazione.
  19. 19. CÈ ALTRO?Dal momento che non abbiamo quasi mai osservato le generazioni più alte delleparticelle materiali, si pone il problema: perché esistono? Pensa che, addirittura,quando è stato scoperto il muone nel 1936, il fisico I.I. Rabi ha chiesto Finché non riusciamo a capire perché esistono la seconda e la terza generazione di particelle, non possiamo escludere la possibilità che ci siano altri quark e leptoni, con masse anche maggiori. Forse il punto è che i quark e i leptoni non sono fondamentali, ma composti da particelle più elementari, le cui interazioni si manifestano nelle diverse generazioni delle particelle materiali.
  20. 20. QUINDI: DI COSA È FATTO ILMONDO?
  21. 21. COSA TIENE INSIEME IL MONDO?Dopo aver capito come è fatta la materiaelementare vogliamo capire quali sono leFORZE fondamentali.
  22. 22. LE FORZE FONDAMENTALITra le particelle elementari agiscono 4 tipi di forze ovvero tutte le forza sonoriconducibili a queste 4 (o 3)
  23. 23. LE FORZE “A DISTANZA”Se prendi due magneti e avviciniil polo nord di uno al polo norddellaltro, i magneti si respingono- senza toccarsi!Come è possibile esercitare unaforza su qualcosa senzatoccarla?È facile dire che "i magneti hannoun campo di forzaelettromagnetica", ma questo nonrisolve il problema: che razza diforza esercitano i magneti lunosullaltro?
  24. 24. GLI EFFETTI INVISIBILIUna persona improvvisamentecerca di afferrare un qualcheoggetto invisibile, e viene spintaindietro dallimpatto. Da questopuoi indovinare che ha preso unpallone invisibile. Anche se nonpuoi vedere il pallone, puoivedere leffetto del pallone sulgiocatore.
  25. 25. IL CONTATTO “A DISTANZA”Si è capito che tutte le interazioni (o forze) che riguardano le particelle materialisono dovute ad uno scambio di mediatori di forza. Riprendendo limmagine delpallone, i giocatori sono le particelle materiali che si passano un pallone, che è laparticella mediatrice di forza. Quelle che noi chiamiamo comunemente "forze"sono gli effetti dei mediatori di forza sulle particelle materiali. Tutto sommato, la rappresentazione delle forze tramite la particella mediatrice èun ritorno alle forze di contatto (facile da capire) che spiega anche il “ritardo” concui le forze si propagano a distanza e la possibilità di propagare le forze nel vuoto.
  26. 26. GRAVITÀLa forza gravitazionale è probabilmente laforza che ci è più familiare, ma non ècompresa nel Modello Standard perché isuoi effetti sono piccolissimi nei processi trale particelle. Anche se la gravità agisce suogni cosa, è una forza molto debole quandonon ha a che fare con grandi masse. Anche se non hanno ancora scoperto la particella mediatrice di forza per lagravità, i fisici ne hanno previsto lesistenza e lhanno già battezzata "gravitone".
  27. 27. FORZA ELETTROMAGNETICA E necessario avere ben chiaro in mente che la carica elettrica (positiva/negativa) e il magnetismo (nord/sud) sono diverse facce di una stessa interazione, lelettromagnetismo. Oggetti con cariche opposte, per esempio un protone e un elettrone, si attirano, mentre particelle con la stessa carica di respingono.La particella mediatrice dellinterazione elettromagnetica è il fotone. In base allaloro energia, i fotoni sono distinti in raggi gamma, luce, microonde, onde radio, etc.
  28. 28. LA COLLA DELLE MOLECOLE Gli atomi di solito hanno un numero uguale di protoni ed elettroni. Quindi sono elettricamente neutri, dato che i protoni positivi bilanciano gli elettroni negativi. Cosa tiene insieme gli atomi a formare le molecole, se la maggior parte degli atomi non ha carica elettrica?Ricorda che gli atomi sono composti di costituenti elettricamente carichi. Gli elementicarichi di un atomo possono interagire con gli elementi carichi di un altro atomo. Equesto che permette ai diversi atomi di legarsi insieme, e si chiama forzaelettromagnetica residua. Dunque, la forza elettromagnetica rende ragione di tutta lachimica, e quindi di tutta la biologia, e quindi della vita stessa.
  29. 29. FORZA FORTE E CARICA DI COLOREE stato stabilito che alcune particelle (iquark e i gluoni) hanno una carica che nonè di tipo elettromagnetico; questa carica èstata chiamata carica di colore. Traparticelle dotate di carica di colorelinterazione è molto forte, tanto dameritarsi il nome di interazione forte. Datoche questa interazione tiene insieme iquark a formare gli adroni, la sua particellamediatrice è stata chiamata gluone: è cosìbrava a "incollare" (in inglese "glue") iquark luno allaltro! E importante precisare che ad avere carica di colore sono solo i quark e i gluoni.Gli adroni (tra cui i protoni e i neutroni) sono neutri di colore, e così i leptoni. Perquesto motivo, linterazione forte agisce soltanto a livello di quark.
  30. 30. LA COLLA DEI NUCLEIIl nucleo atomico è fatto da protoni che sirespingono perché hanno uguale carica.Cosa tiene insieme il nucleo, selinterazione forte agisce soltanto nellegare i quark?I protoni e i neutroni, come tutti gli adroni, sono neutri di colore. Ma nondimentichiamo che gli adroni sono composti da quark dotati di carica di colore: perciòi quark di un protone, dotati carica di colore, possono legarsi con i quark, dotati dicarica di colore, di un altro protone, anche se i protoni, di per sè stessi, non hannocarica di colore. Questa viene chiamata forza residua, ed è sufficientemente intensada superare la repulsione elettromagnetica tra i protoni.
  31. 31. FORZA NUCLEARE DEBOLE Ci sono 6 tipi di quark e 6 tipi di leptoni. Ma tutta la materia stabile delluniverso è composta dai 2 tipi meno massivi di quark (up e down) e dal leptone carico meno massivo (elettrone): perché? Tutta colpa dellinterazione debole: è responsabile del fatto che tutti i quark e tutti i leptoni di massa maggiore decadono per produrre quark più leggeri ed elettroni. Questo è il motivo per cui la materia stabile che ci circonda contiene solo elettroni e i quark più leggeri (up e down). Quando un quark o un leptone cambia tipo (per esempio un muone diventa unelettrone), si dice che cambia sapore. Tutti i cambiamenti di sapore sono dovutiallinterazione debole.Le particelle mediatrici dellinterazione debole sono i bosoni W+, W-, Z. Leparticelle W hanno carica elettrica, mentre Z è neutra.
  32. 32. FERMIONI E BOSONIOra che sai alcune cose sulle particelle materiali esulle particelle mediatrici di forza, puoi impare conche criterio i fisici classificano queste particellefondamentali.Innanzitutto, bisogna spiegare una legge, chiamatail principio di esclusione di Pauli, secondo cui nonpossono esistere nello stesso posto nello stessotempo due particelle nello stesso stato (identicospin, identica carica di colore, identico momentoangolare, etc.). I fisici adoperano questa legge per dividere le particelle in due grandi classi: leparticelle soggette allesclusione di Pauli -- i fermioni--, e le particelle non soggetteallesclusione di Pauli -- i bosoni.
  33. 33. FERMIONIUn fermione è qualunque particella il cui momentoangolare intrinseco (spin) ha un valore multiplodispari di 1/2 (1/2, 3/2,...), misurato in unità h-bar(h-tagliato). Come conseguenza del loro momentoangolare, tutti i fermioni obbediscono al principio diesclusione di Pauli.Le particelle materiali fondamentali (quark e leptoni), come anche la maggior parte delleparticelle composte (come protoni e neutroni) sono fermioni. Perciò, secondo il principio diesclusione di Pauli, queste particelle non possono coesistere nello stesso luogo. E questa,per la materia in condizioni ordinarie, è una proprietà importantissima!
  34. 34. BOSONII bosoni sono le particelle il cui spin ha misuraintera ( 0, 1, 2...) misurato in unità h-bar (h-tagliato).Sono bosoni:Le particelle mediatrici di tutte le interazionifondamentaliLe particelle composte da un numero pari difermioni, come ad esempio i mesoni)Il nucleo di un atomo può essere un bosone oppure un fermione: dipende dal numero deisuoi protoni e neutroni (se è pari sarà un bosone, se è dispari un fermione). Questaproprietà spiega lo strano comportamento dellelio, che, a bassissime temperature, è unsuperfluido, per cui, tra le altre cose, non ha viscosità: i suoi nuclei sono bosoni e possonopassare uno attraverso laltro.
  35. 35. OLTRE IL MODELLO STANDARDIl Modello Standard non è una teoria completa, perché non èancora in grado di spiegare pienamente la natura del mondo.Perché ci sono tre generazioni di quark, e tre di leptoni?I quark e i leptoni sono davvero fondamentali, o sono a loro volta composti diparticelle più elementari?Perché il Modello Standard non è in grado di predire la massa di unaparticella?In base agli esperimenti, ci dovrebbero essere uguali quantità di materia eantimateria nelluniverso: allora perché, in base alle osservazioni, luniversorisulta composto principalmente di materia?Come rientra la gravità nel Modello Standard ?Sappiamo che nelluniverso ci deve essere molta più materia di quella chepossiamo osservare. Questa invisibile materia oscura, che cosa è?
  36. 36. IL BOSONE DI HIGGSSi suppone che unaparticella acquisti lamassa che gli èpropria in seguito allasua interazione con ilbosone di Higgs: LHCè stato costruito percercarlo!
  37. 37. LA “DARK MATTER”Nelluniverso le galassie e le stelle appaionomuoversi come se ci fosse più massa diquella “visibile” con gli strumenti.Cè della materia oscura (quanta?) di cuiignoriamo la natura (siamo ancorati allaTerra....).La quantità e la natura della materia oscurasono decisivi per il tipo di destinodelluniverso......
  38. 38. DOVÈ TUTTA LANTIMATERIATutta la materia che ci circonda, dai nostri corpifino ai più remoti pianeti, è formata da atomi:sistemi composti da particelle di carica negativa, glielettroni, orbitanti attorno ad un nucleo centrale dicarica elettrica positiva. Ma è stato sempre così?Questo quesito è allorigine di uno dei problemi piùaffascinanti della fisica moderna. Lantimateria comprende ad esempio antielettroni, uguali agli elettroni ma dotati di carica elettrica positiva, antinuclei dotati di carica negativa, e così via. Queste antiparticelle sono prodotte quasi quotidianamente nei laboratori di alte energie. Eppure nellUniverso che conosciamo non cè traccia di antiatomi e, ancor meno, di una sorta di mondo alla rovescia, con pianeti e galassie fatti di antimateria. Da quasi 50 anni fisici e cosmologi sono impegnati a capire perché attualmente lantimateria sia quasi totalmente assente.

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