34. Introduzione al modello standard#

Risorse:

34.1. Breve cronologia#

  • Indagine sulla natura atomica della materia

  • Indagine della struttura atomica: elettrone, nucleo (protone e neutrone)

  • Sviluppo dei modelli atomici

  • 1925: primi articoli sulla meccanica quantistica

  • 1928: formulazione relativistica della meccanica quantistica (P.Dirac): previsione dell’antimateria

  • Raggi cosmici e camere a bolle. Nascita della fisica delle particelle

    • 1930, B.Rossi: primo telescopio di raggi cosmici basato su un circuito a coincidenze, la stessa logica attualmente utilizzata negli esperimenti di fisica delle particelle

    • 1932, Anderson osserva il positrone, la controparte di antimateria dell’elettrone

    • …

    • muone. Misura della vita media di \(2 \, \mu s\)

    • …

    • 1947, G.Occhialini,

  • 1964, M.Gell-Mann e G.Zweig propongono l’esistenza dei quark, come particelle che costituiscono i protoni

  • Collider.

    • …

34.2. Raggi cosmici#

Da dove hanno origine? Fermi (1949) propone che i raggi cosmici, particelle ad altissima energia, vengono generati in eventi intensi come le esplosioni di supernove. Altre sorgenti primarie sono le stelle, come il Sole. Sorgenti secondarie sono dovuti all’interazione tra raggi primari con le particelle presenti in atmosfera.

Composizione dei raggi primari. 95% protoni, 4.5% nuclei di He, 0.5% tracce di altri elementi più pesanti. Stessa distribuzione nel nostro sistema solare e in tutta l’universo. Se consideriamo che i raggi cosmici portano informazioni dall’universo remoto, possiamo concludere che il nostro angolo di universo non è così diverso per composizione dalle parti più lontane.

Nei raggi cosmici non c’è, o quasi, antimateria. E” una conferma che l’antimateria nell’universo non c’è, o quasi.

Composizione dei raggi secondari. Dalla collisione dei raggi cosmici primari con altre particelle:

  • 30% componente molla (pioni, kaoni, neutroni, fotoni, elettroni, positroni) formati nella parte alta di atomsfera (~30km), ad energia piuttosto limitata, non molto penetranti; non arrivano alla superficie;

  • 70% componente dura (muoni), energetici, che riescono arrivare a terra, all’incirca \(1 \frac{\text{muone}}{\text{cm}^2 \, s}\)

Distribuzione. Raggi cosmici primari arrivano in maniera omogenea da tutte le direzioni. I raggi cosmici secondari hanno principalmente un angolo azimutale piccolo, con una legge \(\sim \cos^2 \theta\), poiché minore è l’angolo minore è lo spessore di atmosfera da attraversare (\(\sim \frac{1}{\cos \theta}\))

Distanza percorsa da un muone. La vita media e l’energia di un muone sono \(t = 2 \, \mu s\), \(E = 3 \, GeV\)

\[\gamma = \sqrt{\frac{1}{1-\frac{v^2}{c^2}}} = \frac{E}{m_0 c^2}\]
\[s = \gamma v t \sim 18 \, km\]

Flusso ed energia dei raggi cosmici. Flusso decrescente all’aumentare dell’energia: da raggi solari, a raggi cosmici galattici (da \(10^{10} \, eV\) a \(10^{15} \, eV\)), a raggi cosmici extra-galattici (si ipotizza, almeno, che le sorgenti si trovino al di fuori della nostra galassia). Come riferimento, l’energia delle particelle negli esperimenti nei LHC sono di \(10^{13} \, eV\), ma sono in quantità molto maggiore del flusso di raggi cosmici con quella energia.

Rilevatori

  • Osservatorio Pierre Auger, in Argentina

  • Alpha magnetic spectrometer, montato sulla ISS. Tra gli scopi, la misura di antimateria nei raggi cosmici.

Applicazioni.

  • Tomografia a muoni. Esempi: Fukushima, camera magmatica Vesuvio, piramidi

Radioattività. Ogni anno un essere umano assorbe circa \(4 \, m Sv / \text{anno}\) (milli-sievert), di cui solo il 13% dovuti ai raggi cosmici. Un essere umano in 6 mesi sulla ISS assorbe circa \(100 \, m Sv\). Per una missione spaziale più prolungata, come una spedizione su Marte, si raggiungerebbero circa \(1000 \, m Sv\), quantità che inizia a essere preoccupante per un essere umano.

34.3. Il modello standard#

Il modello standard rientra in una teoria più ampia, la teoria quantistica dei campi.

34.3.1. Introduzione#

34.3.2. Lagrangiana#

34.3.3. Forze e interazione fondamentali#

34.3.4. I leptoni#

34.3.5. L’antimateria#

34.3.6. I quark#

34.3.7. Il bosone di Higgs#

34.3.8. Supersimmetria#

34.4. Dizionario#

Bosoni e fermioni. Bosoni possono occupare lo stesso stato quantistico, i fermioni no (rispettano il principio di esclusione di Pauli); i bosoni hanno spin intero, i fermioni spin frazionario.

Interazioni. Gravitazionale (non inclusa nel modello standard), forte, elettromagnetica e debole.

  • elettromagnetica

  • debole

  • forte

Bosoni di gauge. Particelle che moderano le interazioni. Sono perturbazioni dei campi.