Introduzione alla fisica nucleare e subnucleare

Lezione 1

Introduzione alla fisica nucleare e subnucleare

Corso di Fisica nucleare e subnucleare Paolo Maestro

a.a. 2018/19

Di che cosa è fatto il mondo?

Nei tempi antichi gli uomini tendevano ad immaginare il mondo come costituito di elementi fondamentali (filosofi presocratici, Aristotele)

Democrito (460-370) AC

Ciascuna specie di materiale può essere suddiviso in pezzi sempre più piccoli fino a raggiungere un limite al di là del quale NON E’ POSSIBILE andare. Questo ATOMO (Ατομοζ = non divisibile) invisibile ad occhio nudo, per Democrito era la PARTICELLA di BASE costituente della

I fenomeni macroscopici vengono interpretati dalla fisica come una successione di interazioni tra i costituenti elementari.

Ø Legge delle proporzioni definite e delle proporzioni multiple (Dalton, 1808) è la materia è composta da atomi indivisibili

Ø Scoperta dell’elettricità (Volta, Nicholson, Faraday, 1800 -1830) Nel fenomeno dell’elettrolisi per la formazione su di un elettrodo di una mole di un elemento monovalente sono necessari

è Ipotesi di una carica elettrica elementare Ø Tavola periodica degli elementi Mendeleev (1868)

Ad intervalli regolari si presentano elementi con proprietà chimiche simili Ø Teoria cinetica dei gas (Maxwell, Boltzman 1850-1870)

Le variabili macroscopiche di un gas si possono spiegare in termini del movimento casuale e degli urti delle molecole a livello microscopico

€

F = 96500 C = eN

_A

Struttura microscopica della materia:

tappe fondamentali prima del 1900

PV = NK

_B

T = 2

3 N 3 2 K

_B

T

⎛

⎝ ⎜ ⎞

⎠ ⎟ = 2

3 NE

_kin

= 1

3 Nm v

²

1814: Joseph von Fraunhofer scompose la luce del sole facendola passare attraverso una fenditura e un prisma ottico.

1859: Kirchhoff analizzò le righe scure dello spettro (righe di Fraunhofer) e vide che coincidevano con gli spettri di emissione di alcuni elementi chimici.

L’assenza di certe lunghezze d’onda, le righe scure, è dovuta all’assorbimento di luce nell’atmosfera solare da parte di atomi di alcuni elementi presenti anche sulla Terra.

Spettro solare

E di quale materia sono fatte le stelle?

Ca H Fe Na H O

Spettro solare

Scoperta nel 1896 da H. Becquerel e dai

coniugi Pierre e Marie Curie (premi Nobel 1903)

Ogni radionuclide ha una vita media caratteristica, definita come il tempo dopo il quale, dati N nuclei iniziali, il 63% è decaduto.

Tre famiglie radioattive sono presenti sulla Terra. Ognuna è costituita da un elemento capostipite (Uranio, Attinio, Torio) con vita media paragonabile all’età della Terra (miliardi di anni) e da numerosi discendenti, con vita media molto più breve.

La radioattività

Radioattività = trasformazione spontanea o

indotta (à radioattività naturale o artificiale)

dei nuclei con emissione di radiazione

corpuscolare (particelle a,b) e/o

elettromagnetica (raggi X, gamma).

Scoperta dell’elettrone

• raggi catodici (Crookes, 1879). Tubo di vetro contenente gas rarefatto con due elettrodi alle estremità a cui è applicata alta tensione. Si osserva fluorescenza che è deviata da campi elettrici e magnetici. Il fenomeno non dipende né dal tipo di gas né dal tipo di metallo degli elettrodi.

• misura del rapporto e/m (Thomson, 1897)

• misura della carica elettrica elementare(Millikan, 1906)

Scoperta del protone

• raggi anodici (Goldstein, 1886). Il rapporto q/m dipende dal tipo di gas e sono carichi + e hanno massa >> m_e

• esperimenti di Rutherford (1909). Emissione di costituente leggeri del nucleo a lungo “range” si ottengono bombardando con a (nuclei di ⁴He) nuclei leggeri ¹⁴N+a ® ¹⁷O+p

Gli atomi non sono “elementari”

Esperimento di Thomson: misura di e/m (1897)

z -

a) Campo elettrico E uniforme e costante parallelo a y, B=0. velocità iniziale v lungo x y₁ = 1

2 Ee

m t₁² t₁ = x₁

v t₂ = x₂ v v_1y = Ee

m t₁ = Ee m

x₁ v y₂ = y₁+ v_1yt₂ = 1

2 Ee

m x₁

v

⎛

⎝⎜ ⎞

⎠⎟

2

+ Ee m

x₁ v

x₂

v = Ee m

x₁ v²

x₁ 2 + x₂

⎛

⎝⎜ ⎞

⎠⎟

Velocità di uscita dal condensatore

Coordinata y del punto di uscita dal condensatore

Il valore misurato da Thomson è

b) Per misurare v Thomson applicò un campo magnetico B parallelo all’asse z di intensità tale da avere una deflessione totale nulla

e sostituendo nella formula della deflessione y₂, si misura e/m

e ! v × !

B + e ! E = 0 v =

E! ! B

y₂ = Ee m

x₁ v²

x₁ 2 + x₂

⎛

⎝⎜ ⎞

⎠⎟ = B²e m

x₁ E

x₁ 2 + x₂

⎛

⎝⎜ ⎞

⎠⎟ e

m = y₂E B²x₁

x₁ 2 + x₂

⎛

⎝⎜ ⎞

⎠⎟

−1

kg 0 C

1 76 . m 1

e = ×

₁₁

Esperimento di Millikan (1909)

Ø L ’ apparato è costituito da un condensatore, all’interno del quale vengono spruzzate delle goccioline di olio. Una sorgente di raggi X ionizza le goccioline ed esse acquistano una carica elettrica.

Ø Dallo studio della caduta di queste gocce si risale alla quantità di carica che esse hanno acquistato.

Ø La forza totale agente sulla gocciolina è la somma vettoriale della forza di gravità (verso il basso), della spinta di Archimede e della resistenza dell’aria (verso l’alto), e della forza elettrica.

Ø Nell’esperimento si misura il tempo impiegato a percorrere un distanza fissata dalla singola goccia nella discesa e nella salita, più volte e per gocce diverse.

Ø Noti il tempo e la distanza si ricava la velocità di regime (F_tot=0) della gocciolina.

F !

_peso

+ !

F

_Arch

+ !

F

_vis

= 4

3 ρ

_olio

π r

³

g − 4

3 ρ

_aria

π r

³

g − 6π rηv

₀

= 0

r raggio goccia q carica acquistata d distanza armature ρ_olio = 800 kg/m³

ρ_acqua = 1.2 kg/m³ η viscosità aria

V differenza potenziale tra armature v₀ velocità a regime !

E = 0 v velocità a regime !

E ≠ 0

r = 9 η v

₀

2 ρ (

_olio

− ρ

_aria

) ^g

A: Moto in assenza di campo elettrico:

F !

_peso

+ !

F

_Arch

+ !

F

_vis

+ !

F

_ele

= 4

3 ρ

_olio

π r

³

g − 4

3 ρ

_aria

π r

³

g − 6π rηv + qV d = 0

q = d

V 6 π ^r η v − 4

3 r

³

( ρ

_olio

− ρ

_aria

) ^g

⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥

B: Moto in presenza di campo elettrico:

I valori trovati da Millikan dimostrarono che

la carica elettrica è sempre un multiplo intero di una carica fondamentale e = 1.602 10^-19 C

Questa carica fondamentale è la carica dell’elettrone e del protone.

Thomson aveva calcolato:

e/m= 1.76 ´10¹¹ C/kg da cui si dedusse la massa dell’elettrone:

m_e= 9.11´10^-31 kg

un valore circa 1836 volte più piccolo della massa del protone.

Utilizzando le unità della fisica atomica e nucleare

m

_e

c

²

= 9.109 ×10

⁻³¹

× 2.99792458 ×10 (

⁸

)

²

^×10

⁻¹⁵

^J _{1.6 ×10} ^eV

⁻¹⁹

_J ^{= 511 keV}

Modello atomico di Thomson

In base ai suoi esperimenti Thomson concluse che è ragionevole assumere:

• che tutti gli atomi contengono elettroni

• essendo gli atomi neutri, devono contenere un uguale numero di cariche positive

• essendo la m_e<<m_p , la massa dell’atomo è associata alla carica positiva

Propose quindi un modello per l’atomo in cui la carica positiva è distribuita uniformemente in tutto l^’atomo (di dimensioni dell'ordine di 10^-10 m) in cui sono immersi gli elettroni (come l’uvetta nel panettone)

L^’atomo è stabile poiché la repulsione coulombiana fra gli elettroni è bilanciata dalla carica positiva.

Esperimento di Rutherford, Geiger, Marsden (1909)

• Scattering di particelle a su sottile (4 µm) bersaglio di oro.

• Particelle deviate in media di 9°, ma piccola frazione (~0.1%) deviata a grandi angoli (>90°)

• Risultato incompatibile con modello atomico di Thomson (“plum pudding”)

• Modello atomico di Rutherford: il nucleo ha carica positiva e contiene quasi tutta la massa dell’atomo, mentre gli elettroni orbitano intorno ad esso.

• Questo modello spiega sia le frequenti piccole deflessioni come dovute a multiple scattering di una particella a con diversi atomi, sia le rare deflessioni a grande angolo come singolo urto della particella a con il nucleo di un atomo

m

_α

!

v

₀

= m

_α

!

v

_α

+ m

_t

! v

_t

1

2 m

_α

v

₀²

= 1

2 m

_α

v

_α²

+ 1

2 m

_t

v

_t²

v

₀²

= v

_α²

+ m

_t

m

_α

⎛

⎝ ⎜ ⎞

⎠ ⎟

2

v

_t²

+ 2 m

_t

m

_α

v !

_α

⋅ ! v

_t

Consideriamo un urto elastico (non relativistico) di due particelle

Conservazione quantità di moto Conservazione energia

Quadrando la prima equazione

e sostituendo nella seconda, si ottiene

1− m

_t

m

_α

⎛

⎝ ⎜ ⎞

⎠ ⎟v

t

2

= 2 ! v

_α

⋅ !

v

_t

Analisi qualitativa dello scattering Rutherford

• Se cioè le velocità dopo l’urto sono in avanti

il modulo della velocità della particella è praticamente invariato e il momento trasferito all’elettrone è molto piccolo. La particella a non è praticamente deviata

• Se invece una della due velocità è all’indietro

il nucleo bersaglio può portare via fino al doppio dell’impulso incidente, e la particella a può rinculare all’indietro.

1− m

_t

m

_α

⎛

⎝ ⎜ ⎞

⎠ ⎟v

t

2

= 2 ! v

_α

⋅ !

v

_t

m

_t

>> m

_a

⇒ ! v

_α

⋅ !

v

_t

< 0

m

_t

= m

_Au

= 2 ×10

⁵

MeV/c

²

m

_a

= 4 ×10

³

MeV/c

²

m

_Au

m

_a

≈ 50 ⇒ m

_t

v

_t

≤ 2m

_a

v

₀

m

_t

<< m

_a

⇒ !

v

_α

⋅ !

v

_t

> 0

m

_t

= m

_e

= 0.5 MeV/c

²

m

_a

= 4 ×10

³

MeV/c

²

m

_e

m

_a

≈ 10

⁻⁴

⇒ !

v

_α

≈ !

v

₀

Rutherford vs. Thomson

Thomson Rutherford

Modello atomico di Rutherford

Dimensioni atomiche: circa 1 Å = 10

^-10

m Dimensioni nucleari: circa 10

^-5

Å = 10

^-15

m

La maggior parte dell'atomo è vuoto

Quasi tutta la massa atomica è quindi concentrata nel nucleo

Atomo di elio He

Fisica nucleare: breve cronologia

• 1895 Scoperta dei raggi X (Rontgen)

• 1896 Scoperta della radioattività dell’Uranio (Becquerel)

• 1897 Scoperta dell’elettrone (Thomson)

• 1898 Scoperta di altri elementi radioattivi (Torio, Polonio, Radio) (M. Curie)

• 1898 Rutherford scopre che radiazione emessa da Uranio è almeno di due tipi a e b

• 1900 Osservazione della radiazione g (Villard)

• 1905 Teoria della relatività ristretta (Einstein)

• 1911 Scoperta del nucleo atomico (Rutherford)

• 1912 Scoperta dei raggi cosmici. (Hesse)

• 1913 Teoria di Bohr dell’atomo di idrogeno (Bohr)

• 1914 Lo spettro di emissione del decadimento b è continuo (Chadwick)

• 1925-30 Sviluppo della meccanica quantistica non-relativistica (Schrodinger, Heisenberg, de Broglie) e relativistica (Dirac)

• 1930 Ipotesi dell’esistenza del neutrino (Pauli)

Fisica Atomica: studio della struttura elettronica dell’atomo (scala di energia 10 eV) Fisica Nucleare: studio del nucleo e delle forze nucleari (scala di energia 1 MeV) Fisica della Particelle elementari: studio di quark, leptoni e bosoni gauge

1935 Yukawa ipotizza l’esistenza del mesone 1946 Scoperta del pione (Powell)

Nel 1912 Victor Hesse (premio Nobel nel 1936) prova sperimentalmente l’esistenza della “radiazione cosmica ” con un elettroscopio a foglie d’oro

portato in volo su di un pallone aereostatico all’altezza di 5 km s.l.m.

Elettroscopio

Recipiente isolante e trasparente, nel quale è inserita, un’asticciola terminata in alto da una sferetta ed alla quale in basso sono appese due foglie sottilissime d’oro; avvicinando un corpo elettrizzato, le foglie divergono a causa delle azioni repulsive dovute alla carica, dello stesso segno, che è indotta su di esse.

Un elettroscopio si scaricava spontaneamente, anche quando non c’era alcuna sostanza radioattiva nelle vicinanze, indicando la presenza di una qualche forma di radiazione che ionizza l’aria rendendola conduttiva.

Fu osservato che ciò succedeva in ogni

luogo sulla Terra, pertanto si pensò che

fosse dovuto al debole fondo di

radioattività presente nella crosta terrestre.

L’elettroscopio di Wulf: il primo rivelatore di raggi cosmici

Il tasso di ionizzazione misurato con

l’elettroscopio aumentava con l’altitudine,

indicando la presenza di una qualche forma

di radiazione di origine non terrestre.

A partire dal 1910 di fronte all’Accademia Navale di Livorno, Domenico Pacini inizia uno studio sistematico della radiazione penetrante sul suolo e sul mare.

• Il tasso di ionizzazione misurato da un elettroscopio immerso in acqua dimininuisce

• Questa differenza si spiega con l’assorbimento da parte dell’acqua di una radiazione esterna presente nell’atmosfera

• “Nuovo Cimento” VI/3, nel 1912: “esiste nell’atmosfera una sensibile causa ionizzante, con radiazioni penetranti, indipendente dall’azione diretta delle sostanze attive nel terreno”

• Da cosa sono costituiti i raggi cosmici?

Raggi gamma (Millikan) o particelle cariche (Compton)?

Negli anni 1920, fu misurato che il flusso dei RC varia con la latitudine, come ci si attende per particelle cariche in moto nel campo geomagnetico terrestre è RC sono carichi

•

Dal 1920 al 1950, fino all’affermazione delle macchine acceleratici di particelle, i raggi cosmici furono di estrema importanza per la fisica delle alte energie in quanto costituivano una sorgente naturale di particelle, spesso sconosciute.

• Lo studio dei raggi cosmici portò alle scoperte di - Positrone (1932) Anderson, Occhialini

- Muone (1936) Anderson, Neddermeyer - Pione (1947) Powell

- V particles (kaoni, lambda) 1947-1950 e allo sviluppo di rivelatori di radiazione:

- Emulsioni nucleari

- contatori Geiger

Contatore Geiger

Inventato nel 1913, misura radiazioni ionizzanti.

E’ costituito da un tubo metallico (catodo) contenente un gas a bassa pressione. Lungo l’asse del tubo è teso un filo metallico detto anodo.

Tra l’anodo e il catodo si stabilisce una differenza di potenziale di circa 1000 V.

Quando la radiazione attraversa il tubo, ionizza il gas creando delle coppie

ione-elettrone che vengono raccolti da anodo e catodo e formano un impulso

elettrico.

1938 Parigi. Pierre Auger e Roland Maze dimostrano che contatori Geiger disposti a diversi metri l’uno dall’altro registrano contemporaneamente l’arrivo di particelle da raggi cosmici.

Ulteriori esperimenti sulle Alpi, rilevano coincidenze tra contatori disposti anche a distanze di 200 metri l’uno dall’altro.

Ciò dimostra l’esistenza degli sciami atmosferici estesi (EAS), cascate di particelle secondarie prodotte dalle collisioni dei RC con le molecole dell’aria.

Molte di queste particelle secondarie, soprattutto elettroni, muoni, fotoni e neutrini arrivano fino alla superficie terrestre.

Gli sciami atmosferici

Tevatron LHC

Composizione protoni: ~89%

nuclei: ~9% He, ~1% Z>2 e

^-

~1% e

⁺

~0.1%

p

^-

~0.01% g-rays ~0.1%

Lo spettro energetico dei RC

Solari Galattici Extra-Galattici

Misure indirette

Misure dirette Origine

Il Sole è una sorgente di

radiazione elettromagnetica e particelle cariche (vento solare)

Nella nostra Galassia i resti di Supernova accelerano i RC.

I RC di altissima energia sono di origine extra-galattica.

Da dove vengono i Raggi Cosmici ?

L’identificazione delle sorgenti di RC è correlata con la loro energia

Cassiopea A

Alle basse energie:

Il nostro Sole (eruzioni solari)

Ad altissime energie:

Alle medie ed alte energie:

Esplosioni di Supernova ?

Primo modello (sbagliato) della struttura nucleare

Osservazioni sperimentali:

§ I valori di massa dei nuclei leggeri » multipli della massa del protone (entro il %)

§ decadimento b: emissione spontanea di elettroni da parte di alcuni nuclei radioattivi

Ipotesi: Il nucleo atomico è un sistema fortemente legato di A protoni e A-Z elettroni La carica totale elettrica del nucleo = [A – (A – Z)]e = Z e

Problemi del modello

• Gli elettroni non potrebbero essere confinati nel nucleo

• Nitrogen anomaly

Spin dei nuclei di azoto = 1 (misurato da separazione iperfine dei livelli atomici) Nucleo di Azoto (A = 14, Z = 7): 14 protoni + 7 elettroni = 21 particelle di spin 1/2 Lo spin totale nucleare dovrebbe avere un valore semiintero, non intero (??)

Δx ≈ 10

⁻¹⁵

m = 1 fm p

_elettrone

Δx ≥ !

2 ⇒ p ≥ 200 MeV fm

2Δx ⇒ p

_elettrone

≈ 100 MeV/c

>> energie decadimento b

Scoperta del neutrone (Chadwick, 1932)

• E’ emessa radiazione neutra molto penetrante.

• Interagendo con assorbitori ricchi di idrogeno (come la paraffina) n + p ® n + p, i protoni acquistano energie fino a 5.3 MeV

• Nel 1931 Irene Curie e Joliot interpretarono tale radiazione neutra come g, ma Chadwick osservò che l’energia dei g sarebbe stata >52 MeV.

• Osservazione e misura dei rinculi nucleari in una camera a nebbia riempita con diversi gas (idrogeno, azoto)

Plate containing free hydrogen (paraffin wax)

Incident neutron direction

proton tracks ejected from paraffin wax

4

He

₂

+

⁹

Be

₄

®

¹²

C

₆

+ n

a di energia 5.4 MeV emesse da sorgente

210Po

incident neutron

scattered neutron (not visible)

Recoiling Nitrogen nuclei

Valori attuali: m_p = 938.272 MeV/c² m_n = 939.565 MeV/c²

• Da misura del range massimo osservato, si ricava la velocità massima di rinculo dei nuclei di p e azoto.

• Dalla cinematica classica dell’urto elastico (Lez.2 pag. 13), la velocità di rinculo massima è

m_n = massa del neutrone,

m_T = massa protone (p) o nucleo di azoto (N) v_n^max = massima velocità dei neutroni incidenti

• Dal rapporto misurato delle velocità di rinculo di p e N, note le loro masse, si ricava la massa del neutrone

v

_T^max

= 2m

_n

m

_n

+ m

_T

( ) ^v

ⁿ

max

v

_p^max

v

_N^max

= ( m

_n

+ m

_N

)

m

_n

+ m

_p

( )

Neutrone: una particella con massa simile alla massa protone ma con carica elettrica nulla, e spin ½ ħ

Soluzione al problema della struttura nucleare:

Nucleo con numero atomico Z e numero di massa A è un sistema legato di Z protoni e (A – Z) neutroni

La “Nitrogen anomaly” è risolta.

Nucleo di Azoto (A = 14, Z = 7): 7 protoni, 7 neutroni = 14 particelle di spin ½ Þ Lo spin totale può essere solo intero

Neutrino

• Se (A, Z) ® (A, Z+1) + e^– èenergia dell’elettrone E = [M(A, Z) – M(A, Z+1)]c² (trascurando l’energia di rinculo del nucleo E(A,Z+1) << E)

• Diverse soluzioni a questo enigma furono proposte inclusa la violazione della conservazione dell’energia nel decadimento b.

• Nel 1930 Pauli ipotizza l’esistenza di particelle molto leggere di spin ½ e carica elettrica nulla. Pauli riteneva che se i nuclei emettono elettroni, queste particelle devono esistere nel nucleo prima dell’emissione

Prima misura di Chadwick (1914) mostra che lo spettro energetico dell’elettrone è continuo e non monoenergetico come atteso in un decadimento a due corpi.

Radium E: ²¹⁰Bi₈₃ (radioisotopo

della catena di decadimento dell’ ²³⁸U)

Teoria del decadimento b (E. Fermi, 1932-33)

• La particella proposta da Pauli è chiamata neutrino da Fermi

• Teoria di Fermi: interazione puntuale fra 4 particelle di spin 1/2, usando il formalismo matematico degli operatori di creazione e distruzione di Jordan.

Þ Non è necessario che le particelle emesse nel decadimento esistano prima nel nucleo, esse sono create nel decadimento

• I rate di decadimento e lo spettro energetico dell’electtrone sono calcolati in funzione di un solo parametro: la costante di accoppiamento di Fermi G_F (determinata sperimentalmente)

Lo spettro energetico dipende dalla massa del neutrino m_n.

Misurabile distorsione per m_n>0 vicino all’end- point dello spettro (E₀ : massima energia possibile per l’elettrone)

β

⁻

decay n → p + e

⁻

+ ν

_e

β

⁺

decay p → n + e

⁺

+ ν

_e

(

¹⁴₈

O →

¹⁴₇

N + e

⁺

+ ν

_e

)

Antimateria

Nel 1928 Paul Dirac sviluppò un’equazione per descrivere il moto di elettroni che univa meccanica quantistica e relatività ristretta.

Trovò che una soluzione di questa equazione sembrava descrivere una particella della stessa massa dell’elettrone, ma di carica elettrica +.

Cenotafio dedicato a Dirac in Westminster Abbey

Nel 1931 Pauli disse a proposito del lavoro di Dirac “non crediamo che tutto questo debba essere preso sul serio”.

La scoperta dell’antimateria

Scoperta del positrone nei raggi cosmici (Anderson 1932)

Scoperta la crezione di coppie e^- e⁺ e l’annichilazione (Blackett, Occhialini, 1933)

Scoperta dell’antiprotone al Bevatron (Segrè, Chamberlain, Wiegand, 1955)

Scoperta dell’antineutrone al Bevatron (Cork, Lambertson, Piccioni, Wenzel, 1956)

Traccia di un positrone in camera a nebbia

Traccia di antineutrone

Per vedere dettagli più piccoli bisogna illuminare la materia

con sonde (onde o

particelle) di alta frequenza ossia alta energia.

λ = c ν

E = hν

Potere risolutivo di differenti tipi di radiazione

Per analizzare la struttura di un oggetto occorre utilizzare una radiazione di lunghezza d’onda confrontabile alle sue dimensioni. Per il dualismo onda-corpuscolo (De Broglie 1924) alle particelle materiali si può associare una lunghezza d’onda

Nel caso delle particelle a usate da Rutherford nella scoperta del nucleo atomico

λ = ! p

λ

= h

m_αv = h

m_α0.05 × c ≈ 6.626 ×10⁻³⁴ J s

(6.6 ×10⁻²⁷kg) × 0.05× (3×10⁸m s^-1) ≈ 6.7 ×10⁻¹⁵ m = 6.7 ×10⁻¹³ cm

Strumento Radiazione Risoluzione (cm) Microscopi ottici Luce visibile 10^-4

Microscopi elettronici e (10-100 keV) 10^-7 Sorgenti radioattive a b g (MeV) 10^-12

Possiamo calcolare quale impulso deve avere una particella per poter risolvere il nucleo o un nucleone (il protone o il neutrone) o un quark:

Gli acceleratori di particelle sono potenti “microscopi” con cui è possibile esplorare la materia su scale di lunghezza <10

^-14

m

Accelerano particelle cariche “stabili”

(elettroni, protoni, nuclei) portandole a energie elevate e si fanno scontrare.

E = mc

²

Vedere l’invisibile

L’energia liberata nella collisione si materializza in nuove particelle.

Queste sono misurate da

rivelatori, sorta di “occhi

elettronici”, controllati da

È il più grande acceleratore di particelle costruito finora.

Si trova al CERN di Ginevra, in un tunnel sotterraneo ed ha una

circonferenza di 27 km.

Riesce ad accelerare protoni fino ad energie di 14 TeV.

1700 magneti superconduttori che funzionano con correnti fino a

LHC (Large Hadron Collider)

ATLAS AL CERN

Il Modello Standard

LEPTONS

S QUARKS

Materia ordinaria

GLUONS

Strong interaction

PHOTONS

Electromagnetism

W and Z BOSONS

Weak interaction

GRAVITONS

Gravitation ELECTRON ELECTRON

NEUTRINO

MUON MUON

NEUTRINO

TAU TAU

NEUTRINO

UP DOWN

CHARM STRANGE

TOP BOTTOM

HIGGS

Brout-Englert-Higgs field

?

1. Tutta la materia è fatta di particelle fondamentali, i fermioni

2. Le particelle interagiscono scambiandosi particelle chiamate bosoni

Forza nucleare forte Forza Forza nucleare debole

elettromagnetica Gravità

Materia e antimateria

Ogni particella ha la sua antiparticella, di massa identica, ma carica opposta.

Se una particella e un’antiparticella vengono in contatto, si annichilano producendo energia.

L’energia si può anche materializzare

in coppie di particelle e antiparticelle.

• Un sistema composto (atomo, nucleo) ha livelli energetici discreti (stato fondamentale e statti eccitati). Sopra una certa energia limite, il sistema si spezza in componenti più semplici.

• Se il sistema è elementare, cioè non ha struttura interna, c’e’ un solo valore possibile di energia.

• Quando il sistema riceve energia E dall’esterno:

- se è elementare E diventa energia cinetica della particella.

Particelle elemetari e composte

La complessità è riducibile