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

1. IL MODELLO
STANDARD
presentazione semplice tratta da
http://www.infn.it/multimedia/particle/paitaliano/startstandard.html

2. L'ETERNO MISTERO DEL MONDO
È LA SUA COMPRENSIBILITÀ
L'uomo da sempre si pone (tra le
altre) due domande:
"Di cosa è fatto il mondo?" ovvero
"Cosa è la materia?"
"Cosa lo tiene insieme?" ovvero
"Cosa sono le forze?"

3. IL MODELLO STANDARD
I fisici hanno elaborato una teoria,
chiamata Modello Standard, che
vuole descrivere sia la materia che
tutte le forze dell'universo (esclusa
la gravità). La sua bellezza sta nella
capacità di spiegare l'esistenza di
centinaia di particelle e interazioni
complesse sulla base di poche
particelle e interazioni fondamentali.

4. INIZIA IL VIAGGIO....
Iniziamo il viaggio alla ricerca dell'essenziale,
viaggio fatto di grandi "unificazioni" tra cose e
fenomeni in apparenza molto diversi....

5. I QUATTRO ELEMENTI
Empedocle (500 a. C.)
Varianti cinesi e indiane con
5 elementi

6. ATOMI
Democrito (400 a. C.)
Opinione è il dolce,
Opinione è l'amaro,
Opinione è il caldo,
Opinione è il freddo,
Opinione è il colore;
Verità gli atomi e il vuoto.

7. ATOMI COME PALLINE
Dalton, 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. ATOMI NON-ATOMICI
1900 d. C.
L'atomo dovrebbe essere indivisibile ma...
• Thompson scopre l'elettrone dentro l'atomo(raggi
catodici)
• Rutherford scopre nucleo atomico (radioattività,
scattering)
• Chadwick scopre il neutrone (radioattività)

9. ARRIVANO I QUARK
1960 d. C.
Murray Gell-Mann e Zweig:
protoni e neutroni formati da
quark, particelle elementari
(finalmente?) con carica
frazionaria

10. VEDIAMO L'INSIEME
Di che atomo si tratta?

11. METTIAMO INSIEME I PEZZI
Ecco l'atomo in
scala...

12. COSA È LA MATERIA: FACCIAMO
IL PUNTO.
I fisici hanno scoperto circa
200 particelle (di cui la
maggior parte non sono
“fondamentali”).

13. POCHI INGREDIENTI
Il punto di forza del Modello Standard, quello
che lo rende capace di spiegare così tante
cose, è il riportare tutte le particelle osservate
a:
● 6 tipi di leptoni
● 6 tipi di quark, e...
● particelle mediatrici di forza
Ogni particella di materia ha la sua
corrispondente di “antimateria”.

14. LEPTONI
Ci sono sei leptoni, dei quali tre hanno carica elettrica e tre no. Il leptone carico
più conosciuto è l'elettrone (e). Gli altri due leptoni carichi sono il muone (µ) e il
tau, che sono fondamentalmente elettroni con molta più massa. I leptoni carichi
sono tutti negativi.
Gli altri tre leptoni sono gli elusivi neutrini. Non hanno carica elettrica, e hanno
massa piccolissima, o forse non ce l'hanno per niente. C'è un tipo di neutrino
che corrisponde a ogni tipo di leptone con carica elettrica.
Per ciascuno dei sei leptoni c'è un leptone di antimateria (antileptone) con
massa uguale e carica opposta.

15. LEPTONI SOLITARI
I leptoni, come i felini, che sono
indipendenti e solitari, possono
esistere senza la compagnia di
altre particelle. I quark, invece,
si trovano solo in gruppi.
Attualmente, non abbiamo
alcuna prova sperimentale che i
leptoni abbiano una struttura
interna, nè una dimensione.

16. LE FAMIGLIE DEI QUARKS
Ci 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 l'insolita caratteristica di avere carica elettrica frazionaria, di 2/3 o
-1/3, diversamente dagli elettroni, che hanno carica -1, e dai protoni, che hanno
carica +1.
I quark sono dotati anche di un altro tipo di carica, chiamata carica di colore, di
cui poi parleremo.

17. ADRONI: ANIMALI SOCIALI
Come gli elefanti, che sono animali sociali, i quark vivono solo insieme
ad altri quark.
I singoli quark hanno cariche elettriche frazionarie. Ma queste cariche
frazionarie non sono mai state osservate direttamente perché i quark
non vanno mai in giro da soli; invece, li trovi in gruppi a formare delle
particelle composte, chiamate adroni. La somma delle cariche elettriche
dei quark che compongono un adrone è sempre un numero intero.
Mentre ogni quark ha una carica di colore, gli adroni sono neutri di
colore.
I barioni
I barioni sono gli adroni composti da tre quark (qqq). Per esempio, i
protoni sono composti da 2 quark up e 1 quark down (uud), e i neutroni
da 1 up e 2 down (udd).
I mesoni
I mesoni contengono un quark e un antiquark. Per esempio, un pione
negativo è composto da 1 anti-up e 1 down.

18. 3 GENERAZIONI
Quark che i leptoni esistono in 3 serie distinte.
Ognuna di queste serie viene chiamata generazione di
particelle materiali.
Una generazione è una serie di quark e leptoni, un tipo per
ogni carica. Ogni generazione è tendenzialmente più pesante
della serie precedente.
Tutta la materia visibile nell'universo è composta dalla prima
generazione di particelle materiali: quark up e down, ed elettroni.
La seconda e la terza generazione sono instabili, e decadono in
particelle della prima generazione.
E' per questo motivo che tutta la materia stabile dell'universo è fatta dalle
particelle della prima generazione.

19. C'È ALTRO?
Dal momento che non abbiamo quasi mai osservato le generazioni più alte delle
particelle 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. QUINDI: DI COSA È FATTO IL
MONDO?

21. COSA TIENE INSIEME IL MONDO?
Dopo aver capito come è fatta la materia
elementare vogliamo capire quali sono le
FORZE fondamentali.

22. LE FORZE FONDAMENTALI
Tra le particelle elementari agiscono 4 tipi di forze ovvero tutte le forza sono
riconducibili a queste 4 (o 3)

23. LE FORZE “A DISTANZA”
Se prendi due magneti e avvicini
il polo nord di uno al polo nord
dell'altro, i magneti si respingono
- senza toccarsi!
Come è possibile esercitare una
forza su qualcosa senza
toccarla?
È facile dire che "i magneti hanno
un campo di forza
elettromagnetica", ma questo non
risolve il problema: che razza di
forza esercitano i magneti l'uno
sull'altro?

24. GLI EFFETTI INVISIBILI
Una persona improvvisamente
cerca di afferrare un qualche
oggetto invisibile, e viene spinta
indietro dall'impatto. Da questo
puoi indovinare che ha preso un
pallone invisibile. Anche se non
puoi vedere il pallone, puoi
vedere l'effetto del pallone sul
giocatore.

25. IL CONTATTO “A DISTANZA”
Si è capito che tutte le interazioni (o forze) che riguardano le particelle materiali
sono dovute ad uno scambio di mediatori di forza. Riprendendo l'immagine del
pallone, i giocatori sono le particelle materiali che si passano un pallone, che è la
particella 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 è
un ritorno alle forze di contatto (facile da capire) che spiega anche il “ritardo” con
cui le forze si propagano a distanza e la possibilità di propagare le forze nel vuoto.

26. GRAVITÀ
La forza gravitazionale è probabilmente la
forza che ci è più familiare, ma non è
compresa nel Modello Standard perché i
suoi effetti sono piccolissimi nei processi tra
le particelle. Anche se la gravità agisce su
ogni cosa, è una forza molto debole quando
non ha a che fare con grandi masse.
Anche se non hanno ancora scoperto la particella mediatrice di forza per la
gravità, i fisici ne hanno previsto l'esistenza e l'hanno già battezzata "gravitone".

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,
l'elettromagnetismo. Oggetti con cariche
opposte, per esempio un protone e un
elettrone, si attirano, mentre particelle con
la stessa carica di respingono.
La particella mediatrice dell'interazione elettromagnetica è il fotone. In base alla
loro energia, i fotoni sono distinti in raggi gamma, luce, microonde, onde radio, etc.

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 elementi
carichi di un atomo possono interagire con gli elementi carichi di un altro atomo. E'
questo che permette ai diversi atomi di legarsi insieme, e si chiama forza
elettromagnetica residua. Dunque, la forza elettromagnetica rende ragione di tutta la
chimica, e quindi di tutta la biologia, e quindi della vita stessa.

29. FORZA FORTE E CARICA DI COLORE
E' stato stabilito che alcune particelle (i
quark e i gluoni) hanno una carica che non
è di tipo elettromagnetico; questa carica è
stata chiamata carica di colore. Tra
particelle dotate di carica di colore
l'interazione è molto forte, tanto da
meritarsi il nome di interazione forte. Dato
che questa interazione tiene insieme i
quark a formare gli adroni, la sua particella
mediatrice è stata chiamata gluone: è così
brava a "incollare" (in inglese "glue") i
quark l'uno all'altro!
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. Per
questo motivo, l'interazione forte agisce soltanto a livello di quark.

30. LA COLLA DEI NUCLEI
Il nucleo atomico è fatto da protoni che si
respingono perché hanno uguale carica.
Cosa tiene insieme il nucleo, se
l'interazione forte agisce soltanto nel
legare i quark?
I protoni e i neutroni, come tutti gli adroni, sono neutri di colore. Ma non
dimentichiamo che gli adroni sono composti da quark dotati di carica di colore: perciò
i quark di un protone, dotati carica di colore, possono legarsi con i quark, dotati di
carica di colore, di un altro protone, anche se i protoni, di per sè stessi, non hanno
carica di colore. Questa viene chiamata forza residua, ed è sufficientemente intensa
da superare la repulsione elettromagnetica tra i protoni.

31. FORZA NUCLEARE DEBOLE
Ci sono 6 tipi di quark e 6 tipi di leptoni. Ma tutta la
materia stabile dell'universo è composta dai 2 tipi
meno massivi di quark (up e down) e dal leptone
carico meno massivo (elettrone): perché?
Tutta colpa dell'interazione 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 un
elettrone), si dice che cambia sapore. Tutti i cambiamenti di sapore sono dovuti
all'interazione debole.
Le particelle mediatrici dell'interazione debole sono i bosoni W+, W-, Z. Le
particelle W hanno carica elettrica, mentre Z è neutra.

32. FERMIONI E BOSONI
Ora che sai alcune cose sulle particelle materiali e
sulle particelle mediatrici di forza, puoi impare con
che criterio i fisici classificano queste particelle
fondamentali.
Innanzitutto, bisogna spiegare una legge, chiamata
il principio di esclusione di Pauli, secondo cui non
possono esistere nello stesso posto nello stesso
tempo due particelle nello stesso stato (identico
spin, identica carica di colore, identico momento
angolare, etc.).
I fisici adoperano questa legge per dividere le particelle in due grandi classi: le
particelle soggette all'esclusione di Pauli -- i fermioni--, e le particelle non soggette
all'esclusione di Pauli -- i bosoni.

33. FERMIONI
Un fermione è qualunque particella il cui momento
angolare intrinseco (spin) ha un valore multiplo
dispari di 1/2 (1/2, 3/2,...), misurato in unità h-bar
(h-tagliato). Come conseguenza del loro momento
angolare, tutti i fermioni obbediscono al principio di
esclusione di Pauli.
Le particelle materiali fondamentali (quark e leptoni), come anche la maggior parte delle
particelle composte (come protoni e neutroni) sono fermioni. Perciò, secondo il principio di
esclusione di Pauli, queste particelle non possono coesistere nello stesso luogo. E questa,
per la materia in condizioni ordinarie, è una proprietà importantissima!

34. BOSONI
I bosoni sono le particelle il cui spin ha misura
intera ( 0, 1, 2...) misurato in unità h-bar (h-
tagliato).
Sono bosoni:
Le particelle mediatrici di tutte le interazioni
fondamentali
Le particelle composte da un numero pari di
fermioni, come ad esempio i mesoni)
Il nucleo di un atomo può essere un bosone oppure un fermione: dipende dal numero dei
suoi protoni e neutroni (se è pari sarà un bosone, se è dispari un fermione). Questa
proprietà spiega lo strano comportamento dell'elio, che, a bassissime temperature, è un
superfluido, per cui, tra le altre cose, non ha viscosità: i suoi nuclei sono bosoni e possono
passare uno attraverso l'altro.

35. OLTRE IL MODELLO STANDARD
Il Modello Standard non è una teoria completa, perché non è
ancora 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 di
particelle più elementari?
Perché il Modello Standard non è in grado di predire la massa di una
particella?
In base agli esperimenti, ci dovrebbero essere uguali quantità di materia e
antimateria nell'universo: allora perché, in base alle osservazioni, l'universo
risulta composto principalmente di materia?
Come rientra la gravità nel Modello Standard ?
Sappiamo che nell'universo ci deve essere molta più materia di quella che
possiamo osservare. Questa invisibile materia oscura, che cosa è?

36. IL BOSONE DI HIGGS
Si suppone che una
particella acquisti la
massa che gli è
propria in seguito alla
sua interazione con il
bosone di Higgs: LHC
è stato costruito per
cercarlo!

37. LA “DARK MATTER”
Nell'universo le galassie e le stelle appaiono
muoversi come se ci fosse più massa di
quella “visibile” con gli strumenti.
C'è della materia oscura (quanta?) di cui
ignoriamo la natura (siamo ancorati alla
Terra....).
La quantità e la natura della materia oscura
sono decisivi per il tipo di destino
dell'universo......

38. DOV'È TUTTA L'ANTIMATERIA
Tutta la materia che ci circonda, dai nostri corpi
fino ai più remoti pianeti, è formata da atomi:
sistemi composti da particelle di carica negativa, gli
elettroni, orbitanti attorno ad un nucleo centrale di
carica elettrica positiva. Ma è stato sempre così?
Questo quesito è all'origine di uno dei problemi più
affascinanti della fisica moderna.
L'antimateria 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 nell'Universo che conosciamo non c'è 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 l'antimateria
sia quasi totalmente assente.