Le particelle elementari da Democrito ai quark

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Le particelle elementari da Democrito ai quark

• Sergio Patricelli
• Dipartimento di Scienze Fisiche
• Università Federico II

S. Patricelli - Dip. di Scienze Fisiche -
Università Federico II
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Da Democrito a Mendeleyev

• Tra i filosofi greci (Talete, Anassimandro,
  Pitagora, Eraclito, Anassagora, etc) che tra il
  600 ed il 400 AC cercarono di dare una
  spiegazione della struttura del mondo che ci
  circonda in termini di principi fondamentali,
  Democrito fu il primo a considerare lidea di una
  materia discontinua. Egli chiamò atomi quelle
  parti della materia che non possono essere
  ulteriormente suddivise e che, combinandosi in
  forma diversa, danno luogo alla varietà di
  sostanze osservate.
• Gli elementi naturali dalla cui combinazione era
  possibile ottenere tutte le sostanze naturali
  venivano identificati con il Fuoco, lAcqua, la
  Terra e lAria
• Solo nel XVII secolo, con la nascita della
  scienza moderna con Galileo e la frenetica
  attività degli alchimisti che speravano di
  tramutare il piombo in oro, ebbe inizio lo studio
  sperimentale delle proprietà della materia che,
  con gli studi di chimica di Lavoisier (1780) e
  Dalton (1803), portò alla prima evidenza
  sperimentale di una teoria atomica in cui ad ogni
  elemento naturale era associato un diverso tipo
  di atomo. Il problema principale da affrontare fu
  che il numero di elementi conosciuti continuava a
  crescere.
• Fu Mendeleyev che nel 1869 riuscì a classificare
  tutti gli elementi noti nella sua tavola
  periodica secondo il loro peso atomico ed in modo
  da spiegare le loro proprietà chimiche. Il
  maggior successo della tavola periodica si ebbe
  quando tre elementi previsti dalla tavola
  (Germanio, Gallio e Scandio) furono
  effettivamente trovati.
• Sembrava che il problema della conoscenza della
  struttura ultima della materia fosse risolto, ma
  in realtà rimaneva senza risposta una domanda
  fondamentale a cosa è dovuta la periodicità
  nella tavola di Mendeleyev?

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Prime scoperte nel mondo sub-atomico

• La prima particella subatomica ad essere scoperta
  fu lelettrone (e-) nel 1897 da J.J. Thomson.
  Egli dimostrò che i raggi catodici, con i quali
  Rontgen aveva prodotto, due anni prima, i raggi X
  per le prime radiografie in campo medico, non
  erano altro che particelle cariche negativamente
  circa 2000 volte più leggere dellatomo di
  idrogeno (il più leggero in natura). La data del
  30 Aprile 1897, quella in cui Thomson annunciò la
  scoperta dellelettrone alla British Royal
  Institution, può essere considerata la data di
  nascita della Fisica delle Particelle Elementari.
• La scoperta dellelettrone portò alla
  formulazione di vari modelli atomici di cui uno
  dei più famosi fu dello stesso Thomson che
  rappresentava latomo come una sfera di carica
  positiva uniforme in cui sono immersi gli
  elettroni che lo rendono elettricamente neutro.
  Ma nel 1911 E. Rutherford, allievo di Thomson,
  utilizzando una nuova forma di radiazione
  naturale (raggi a) per bombardare sottili lamine
  doro, effettuò il suo famoso esperimento con cui
  dimostrò che la massa totale dellatomo è
  concentrata in un volume che è quasi 10.000 volte
  più piccolo del volume dellatomo stesso.

Nucleo
Raggio a

• Si giunse così alla formulazione del modello
  atomico di Rutherford, in cui gli elettroni,
  carichi negativamente, orbitano intorno al
  nucleo, carico positivamente, come in un
  microscopico sistema solare.
• Tuttavia un modello così semplice e bello aveva
  un grave difetto secondo la teoria
  dellelettromagnetismo un atomo così fatto non
  poteva essere stabile!!!

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Latomo di Bohr,il protone ed il neutrone

• Negli stessi anni la Fisica viveva un periodo di
  radicali trasformazioni con lavvento della
  Teoria della Relatività e della Teoria dei
  Quanti. Fu proprio utilizzando le idee di
  questultima che N. Bohr modificò il modello di
  Rutherford ipotizzando che gli elettroni possono
  orbitare intorno al nucleo solo in particolare
  orbite e che possono passare da unorbita ad
  unaltra assorbendo o emettendo quantità discrete
  di energia (quanti).
• Il modello di atomo proposto da Bohr (1913) si
  rivelò un grandissimo successo per la fisica
  moderna in quanto permise di spiegare in modo
  precisissimo le caratteristiche di emissione e di
  assorbimento della radiazione elettromagnetica di
  moltissimi elementi. In altri termini il modello
  di Bohr (ed il principio di esclusione di Pauli)
  permisero di chiarire le periodicità presenti
  nella tavola di Mendeleyev. La meccanica
  quantistica fornì inoltre una nuova
  interpretazione (in termini di probabilità) delle
  orbite elettroniche.
• Negli anni immediatamente successivi alla 1a
  guerra mondiale, Rutherford ed i suoi
  collaboratori continuarono gli esperimenti di
  bombardamento di elementi con particelle a. I
  loro studi evidenziarono, in alcuni casi,
  lapparizione di atomi di elementi diversi da
  quelli utilizzati nellesperimento e di
  particelle con carica positiva avente la massa
  dellatomo di idrogeno. Queste particelle furono
  chiamate protoni e cominciò ad essere evidente la
  struttura composita del nucleo atomico oltre che
  la dimostrazione di poter realizzare il vecchio
  sogno degli alchimisti di trasformare un elemento
  in un altro.
• Cominciò tuttavia ad essere chiaro che se si
  fosse potuto disporre di proiettili di energia
  maggiore di quella delle particelle a prodotte
  dalla radioattività naturale, il nucleo atomico
  avrebbe potuto essere studiato con maggior
  dettaglio. Cockcroft e Walton costruirono il
  primo acceleratore per protoni accelerati da una
  d.d.p. di 800.000 Volt e con tali strumenti in
  breve tempo si giunse alla scoperta del neutrone
  come ulteriore componente del nucleo atomico.

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La proliferazione delle particellee lipotesi
dei quarks

• La costruzione di acceleratori di protoni di
  maggiore energia e lo sviluppo di rivelatori di
  particelle sempre più sofisticati portarono,
  negli anni successivi, alla scoperta di un numero
  via via crescente di particelle elementari.
  Alla base di questo fenomeno cè lequazione
  Emc2 secondo la quale lenergia posseduta dal
  proiettile può trasformarsi in massa, nella
  reazione, facendo nascere nuove particelle.
  Queste nuove particelle non sono stabili ma
  decadono, in tempi molto brevi, in particelle più
  leggere. Inoltre si trovò che ogni particella è
  dotata di una sua antiparticella di uguale massa
  ma carica opposta. La situazione che si
  presentava ai fisici alla fine degli anni 50 era
  simile a quella che aveva dovuto affrontare
  Mendeleyev poco meno di cento anni prima!!

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K-
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K-
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W
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X-
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K
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p-
S
m-

• Nei primi anni 60 M. Gell-Mann suggerì che molte
  di queste particelle potevano essere raggruppate
  in famiglie se fossero state costituite da tre
  entità più elementari che egli suggerì,
  fantasiosamente, di chiamare quarks. La sua
  ipotesi divenne molto credibile quando fu
  scoperta una nuova particella (W-) prevista dal
  modello. Il sostegno sperimentale allipotesi dei
  quarks venne da una serie di misure effettuate
  allo Standford Linear Accelerator Center dove
  elettroni di altissima energia vennero utilizzati
  per bombardare protoni in un esperimento
  concettualmente simile allesperimento di
  Rutherford.

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La caccia ai quarks e la rivoluzionedi Novembre

• I risultati di SLAC spinsero i fisici
  sperimentali a trovare unevidenza diretta dei
  quarks che, nel modello di Gell-Mann, sono
  caratterizzati dal fatto di avere una carica
  elettrica frazionaria. Ma tutti i tentativi di
  trovare dei quark liberi furono vani.
• Nel Novembre del 1974 una inattesa scoperta
  sperimentale dette un sostegno fondamentale
  allipotesi dei quarks. La scoperta di una nuova
  particella avvenuta contemporaneamente in due
  esperimenti a SLAC e Brookhaven e subito
  confermata a Frascati, dove operava lanello di
  accumulazione ee- Adone, poteva infatti essere
  interpretata solo con la presenza di un quarto
  quark la cui esistenza era stata prevista
  teoricamente per spiegare alcuni risultati
  sperimentali.

J/Y

• Negli anni successivi furono scoperte altre
  particelle contenenti il charm e quattro anni
  dopo un nuovo gruppo di particelle suggerì
  lesistenza di un quinto quark, il bottom. I
  modelli teorici reclamavano lesistenza di un
  sesto quark, il top, per completare la terza
  famiglia ma, a causa della sua massa molto
  elevata (circa 170 volte più pesante del protone)
  la sua esistenza sperimentale è stata dimostrata
  solo nel 1994.

Y

• Oggi nessuno mette in dubbio la realtà dei quarks
  che, sebbene non rilevabili in forma libera, si
  manifestano sperimentalmente con segnature molto
  chiare (getti particelle).

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Non solo quarks. Anche leptoni

• Non tutte le particelle sono costituite da due o
  tre quarks. Alcune, per quanto ne sappiamo oggi,
  sono veramente elementari. Queste particelle sono
  6 e, come i quarks, sono raggruppate in famiglie.
• Prendono il nome di leptoni e godono della
  proprietà di essere le uniche particelle a non
  subire linfluenza della forza forte. Tre di
  queste particelle hanno massa (e questa è lunica
  caratteristica che le differenzia luna
  dallaltra) ed a ognuna di esse è associato un
  neutrino. Il problema di capire se i neutrini
  hanno massa molto piccola o nulla è uno dei
  maggiori problemi tuttora aperti nella fisica
  delle particelle elementari.
• La figura successiva riassume la attuale
  classificazione delle particelle elementari.
  Delle tre famiglie di quark e leptoni, solo la
  prima(u,d,ne,e) contribuisce alla costituzione
  della materia che ci circonda. Le altre, che oggi
  siamo capaci di creare negli esperimenti di
  laboratorio, erano abbondantemente presenti nei
  primi istanti della formazione dellUniverso
  quando la sua temperatura era molto elevata.
  Inoltre le misure di precisione realizzate ci
  permettono di affermare che non ci sono altre
  famiglie nascoste.

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I portatori di forza

• Il quadro delle particelle elementari non sarebbe
  completo senza un accenno a quelle particelle che
  non sono dello stesso tipo dei quark e dei
  leptoni ma che potremmo chiamare portatori di
  forze.
• Per quanto ne sappiamo oggi, le interazioni
  (forze) che sono misurabili nellUniverso attuale
  sono quattro e la meccanica quantistica spiega la
  loro azione con lo scambio di particelle dette
  bosoni.
• Interazione gravitazionale Gravitone
• Interazione elettromagnetica Fotone
• Interazione debole Bosoni pesanti

???
g
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W, W-, Z
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Come si fanno oggi queste ricerche?

• Il tipo di strumenti da utilizzare è dettato
  dalle dimensioni degli oggetti che si vogliono
  studiare.
• Nel caso delle particelle subatomiche le
  dimensioni sono mostrate nella figura successiva
  e gli unici strumenti che permettono di vedere
  se nei quark sono nascoste altre strutture sono
  gli acceleratori di altissima energia.

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Il CERN(Centro Europeo per la Fisica delle
Particelle Elementari)

• Il più grande acceleratore oggi in funzione è il
  LEP (Large Electron Positron Collider) al CERN
  presso Ginevra. Permette di accelerare elettroni
  e positroni fino a 100100 Miliardi di
  elettronvolt in una ciambella in cui è fatto il
  vuoto avente una circonferenza di 27 km.
• Utilizzando lo stesso tunnel sotterraneo del LEP,
  nel 2004 è prevista lentrata in funzione del LHC
  (Large Hadron Collider) che permetterà di far
  scontrare protoni contro protoni ad un energia di
  70007000 miliardi di elettronvolt.

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La collaborazione internazionale

• Gli strumenti utilizzati per lo studio delle
  collisioni di altissima energia sono estremamente
  sofisticati, di dimensioni molto grandi e di
  costo molto elevato. La loro costruzione è
  possibile solo attraverso una grande
  collaborazione internazionale.

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Lesperimento ATLAS

• ATLAS è un esperimento cui partecipa un gruppo di
  fisici della nostra Università

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