illustrazione sulla natura intima della materia

1. La fisica del mondo di oggi
Cioè: come è fatto
il mondo (oggi)?

2. Materia Interazioni
materia

3. 3
La missione del CERN: studiare la fisica delle
particelle
I fisici studiano la materia per capirne i costituenti
principali e le forze in gioco
Acceleratori Microscopi Radio-telescopiCannocchiali
Occhio umano

4. Il Modello Standard 1
I costituenti elementari
• Le ricerche in fisica delle particelle elementari degli ultimi decenni hanno permesso di avere
un quadro molto semplice e soddisfacente dei costituenti elementari: il Modello Standard.
• Secondo il Modello Standard i costituenti elementari di tutto l’Universo sono 12 raggruppati
in 3 famiglie ciascuna delle quali contiene 2 Quark (6 sapori!) e 2 Leptoni.
Quark Leptoni
 Con i membri della prima famiglia (la più leggera) è possibile costruire tutta la materia stabile esistente
nell’Universo .
 I membri delle altre famiglie hanno svolto un ruolo importante nella fase di formazione dell’Universo e vengono
oggi prodotte con gli acceleratori.
 I quark up e down si combinano tra loro in gruppi di tre quark per formare i barioni che comprendono i protoni e
neutroni, e in gruppi di due per formare i mesoni. Il protone è formato da due quark up e un down con carica
totale di +1. Un neutrone, invece, è formato da due quark down e un quark up, che danno carica totale pari a
zero.

5. Secondo Murray Gell-Mann, la dizione del nome quark (che egli aveva
già in mente) gli è stata suggerita da una frase senza senso contenuta
nel romanzo Finnegans Wake di James Joyce, che egli stava leggendo
al tempo della scoperta:
Three quarks for Muster Mark!
Sure he has not got much of a bark
And sure any he has it's all beside the mark.
James Joyce, Finnegans Wake[5]
Sapori e colori!
Nella fisica delle particelle la carica di colore è
una proprietà dei quark e dei gluoni che è in
relazione con la loro interazione forte nel
contesto della cromodinamica
quantistica (QCD: quantum chromodynamics).
È analoga alla nozione di carica elettrica delle
particelle.

6. Meccanica Quantistica:
Le orbite definite degli elettroni
sono sostituite da “nuvole di
probabilità”
di trovarlo!grande chance
piccola chance
Principio di indeterminazione di Heisemberg
La meccanica quantistica fa cose molto strane: rende il vuoto una cosa viva e pulsante
Diagramma di Feynman

7. Il Modello Standard 2
Le forze fondamentali
• I costituenti elementari si legano tra loro attraverso 4 interazioni fondamentali
(quelle che comunemente chiamiamo forze).
 L’unificazione della forza elettromagnetiche con quella debole in un’unica teoria
è uno dei maggiori successi in fisica degli ultimi due decenni.
Gravitazionale ForteElettrodebole
 Le interazioni tra i costituenti
elementari avvengono attraverso lo
scambio di portatori di forze.
Ciascuna delle forze fondamentali ha
un proprio portatore.
Elettromagnetica
Debole
Forte
W+,W-, Z
g (fotone))
g (gluone) 0
0
81-91 GeV/c2
Interazione Portatore Massa

8. L'interazione nucleare forte può essere osservata in due aree: in scala più grande per
tenere assieme protoni e neutroni a formare il nucleo dell'atomo mentre, in scala più
piccola, è anche la forza che tiene assieme quark e gluoni a formare i protoni, i
neutroni ed altre particelle.
L'interazione debole può avvenire tra leptoni e quark (interazioni semileptoniche),
tra soli leptoni (interazioni leptoniche) o tra soli quark (interazioni non leptoniche),
grazie allo scambio, secondo il Modello Standard della fisica delle particelle,
di bosoni vettori molto massivi, detti W+ e Z0. Poiché tutti i leptoni sono interessati
dagli effetti dell'interazione debole, risulta che essa è la sola forza che interviene
sui neutrini negli esperimenti di laboratorio, per i quali la gravità è trascurabile. La
forza debole è la responsabile del decadimento beta dei nuclei atomici, associato
alla radioattività, per il quale un neutrone si trasforma in un protone, con
l'emissione di elettroni (radiazione beta) e neutrini.
l'interazione elettromagnetica è una delle quattro interazioni fondamentali previste
dal Modello Standard, il cui mediatore è il fotone. Si tratta della forza generata
dal campo elettromagnetico, il quale si propaga nello spazio per mezzo
della radiazione elettromagnetica, un fenomeno ondulatorio che non richiede alcun
supporto materiale per diffondersi nello spazio e che nel vuoto viaggia alla velocità
della luce. La forza elettromagnetica è responsabile dell'interazione tra due
oggetti carichi, sorgenti del campo elettromagnetico.
Forza la cui sorgente è la massa. Nella fisica classica è interpretata come
una forza di attrazione conservativa agente fra corpi massivi, la cui
manifestazione più evidente, nell'esperienza quotidiana, è la forza peso.
In relatività generale, l'interazione gravitazionale è una conseguenza della
curvatura dello spaziotempo creata dalla presenza di corpi dotati di massa o di
energia, ed è previsto che si propaghi alla velocità della luce per mezzo
della radiazione gravitazionale, un fenomeno ondulatorio che non richiede
alcun supporto materiale per diffondersi nello spazio.
Noi esistiamo grazie
alle
quattro interazioni!
I nostri corpi sono
stabili
grazie al fatto che gli
atomi
stanno insieme grazie
alla elettromagnetica.
I nuclei stanno
insieme grazie alla
Forte.
Il sole ci dà la vita
grazie alla debole.
Stiamo ancorati al
nostro pianeta grazie
alla gravità.
P.s: non sprofondiamo
grazie
all’elettromagnetismo.

9. Gravità

10. I primi istanti
• L’abbassamento della temperatura e della densità nell’universo primordiale, dovuto
all’espansione, provocò dapprima la nascita delle quattro forze fondamentali:
Gravità, Nucleare forte, Nucleare debole, Elettromagnetismo e di conseguenza la
nascita delle particelle subatomiche e dei primi atomi di Idrogeno e di Elio
• Tutto avvenne nei primi tre minuti di vita dell’Universo

11. L’Universo si raffredda
• Tra un secondo e tre minuti dopo il
Big Bang si formano gli atomi di
Idrogeno (Deuterio) ed Elio
• La temperatura dell’universo
scende a 3 milioni di gradi
• Dopo 400.000 anni l’energia e la
materia si differenziano
definitivamente e l’universo
diventa trasparente; la
temperatura scende a 3.000 gradi
• Dopo un miliardo di anni si
formano le prime galassie
• Oggi la temperatura dell’universo
è di soli 3 gradi sopra lo zero
assoluto (-273c)

12. 12
Un’unica forza per tenere insieme la materia?
Importanti scoperte al CERN:
– Correnti neutre (1973)
– Bosoni W&Z (C. Rubbia, S. Van der Meer 1983)
- Conferma dell’esistenza di 3 famiglie di neutrini (1989)
Energia d’interazione (GeV)
1 GeV = 1 Gigaelectronvolt = 109 eV
S. Weinberg, A. Salam,
S. Glashow :
Unificazione della forza
elettromagnetica e debole
J. C. Maxwell :
Unificazione della forza
elettrica e magnetica
LHC?

13. Problemi
• L’universo si
espande? E come?
• Come mai la forza
di gravità è cosi
debole?
• Esiste una teoria
del Tutto?

14. Effetto Casimir: il vuoto non è vuoto
• In fisica, l'effetto Casimir è
la forza che si esercita fra due corpi
estesi situati nel vuoto e dovuta
non all'azione di un campo
gravitazionale o elettromagnetico,
ma alla presenza - nello spazio
circostante i corpi - di un campo
quantistico, detto di punto zero.
A causa del principio di
indeterminazione di Heisenberg,
l'energia di questo campo
quantistico (energia del vuoto) è
soggetta a fluttuazioni - descritte in
termini di particelle virtuali - che si
manifestano, a livello
macroscopico, nell'interazione tra i
due corpi per effetto di una forza.

15. Energia oscura (l’universo sta accelerando la sua espansione!):
•Costante Cosmologica lambda – energia del vuoto
•Quintessenza
•teoria delle stringhe
•Brane
• principio olografico
Materia oscura (WIMP, MACHO)
Non si sa altrimenti spiegare come si siano potute formare le galassie e
gli ammassi di galassie in un tempo così breve come quello osservato.
Non ci si spiega inoltre come le galassie, oltre a formarsi, si mantengano integre .
« È una situazione alquanto imbarazzante dover ammettere che non riusciamo a trovare
il 90 per cento [della materia] dell'Universo. »
Venne inizialmente indicata come "massa mancante", anche se effettivamente esiste
materia, in quanto sono osservabili effetti gravitazionali della sua massa.
Tuttavia, questa materia non emette alcuna radiazione elettromagnetica e non risulta
pertanto individuabile dagli strumenti di analisi spettroscopica,
da cui l'aggettivo "oscura".

16. 1) una frazione di atomi che manca all’appello;
2) MACHOS: massive compact halo objects (nane brune, oggetti di tipo
gioviano, buchi neri, etc.);
3) neutrini;
4) WIMPS: weak interacting massive particles;
5) assioni, neutralini, fotini etc...;
6) WIMPzillas, Q-balls, gravitini..........
7) BOSONE DI HIGGS
DARK BARIONS
PARTICELLE ELEMENTARI

17. Anni 70’: le curve di rotazione delle galassie a spirale
G M(r) /r =V2
M(r) = massa stelle e gas + X

18. IL RUOLO DELLA MATERIA OSCURA

19. Cl 0024+17
z = 0.39
~10 Gyr
Galassie in ammassi…

20. IL RUOLO DELL’ENERGIA OSCURA
NOBEL FISICA
2011

21. La fotografia dell’Universo
dopo il BIG BANG

22. F = m a
G Mm /r2 = ma
G M(r) /r2 = a
G(r) M(r) /r? = a
GRAVITÀ ALTERNATIVE

24. The world contains…
…Extra Dimensions!

25. Teoria del Tutto

26. 2635 m
umidità: 4%
Paranal, Deserto di Acatama (Cile),
sito dell’ European Southern Observatory (ESO)

27. 31

28. Il VLT Survey Telescope (VST) al Paranal (Cile)
• Primary mirror: 2.6m
• Secondary mirror: 0.9m
• Field: 1° x 1°
Il telescopio concepito a Napoli
(Osservatorio di Capodimonte) e
costruito tra Campania e Veneto