La fisica delle particelle (breve storia)

gronag

Utente Èlite
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La fisica delle particelle ha una storia molto lunga; in queste poche righe cercherò di descriverne una parte.
La tecnica fondamentale che viene utilizzata nella fisica delle particelle consiste nel far avvicinare una particella ad un'altra e vedere cosa accade. Il primo passo da compiere è produrre un fascio di particelle energetiche; in seguito tale fascio viene accelerato mediante un acceleratore. Il fascio ad alta energia così prodotto viene "sparato" contro un bersaglio fisso (ad es., una piccola lastra di metallo) e con un rivelatore si osservano le particelle che escono dalla zona in cui il fascio ha colpito il bersaglio.
E' la stessa cosa che accade nei tubi catodici dei vecchi televisori, in cui gli elettroni (i raggi catodici, appunto) vengono accelerati da una differenza di potenziale molto alta e diretti, tramite un campo magnetico, verso il bersaglio posto sul retro dello schermo.
In base all'osservazione delle particelle prodotte durante gli urti, è possibile ottenere informazioni sulla struttura dei nuclei atomici della materia bombardata.
Secondo l'equazione di Einstein (E=m*c^2), l'energia "sprigionata" nelle collisioni fa sì che possano prodursi nuove particelle che prima non c'erano. Queste particelle, però, che sono instabili e decadono in tempi rapidissimi (meno di un milionesimo di secondo), non si trovano nella materia ordinaria e quindi possiamo studiarle solo producendole artificialmente attraverso un acceleratore.
Ma qual è lo scopo di studiare particelle così "effimere" ?
LO SCOPO E' QUELLO DI "COMPRENDERE" IL NOSTRO UNIVERSO.
Sapete tutti che la luce proveniente da una Galassia lontana impiega miliardi di anni prima di poter essere rilevata da un telescopio: confrontando le foto di galassie più antiche (le più lontane) con quelle di galassie più giovani (le più vicine), si può studiare l'evoluzione di tali galassie nel tempo.
Lo spazio si espande poiché le galassie si allontanano l'una dall'altra; "riavvolgendo" il tempo all'indietro, risaliremo ad un istante, pari a circa 14 miliardi di anni fa, in cui tutta l'energia dell'Universo era contenuta in un volume piccolissimo e la temperatura era elevatissima (miliardi di miliardi di miliardi di gradi): è l'istante Zero, l'istante della "grande esplosione" (Big Bang) da cui è nato il nostro Universo.
La temperatura attualmente misurata negli spazi interstellari è di 3 kelvin, cioè -270°C (la cosiddetta "radiazione fossile", su cui torneremo dopo). Ora, quando si riscalda la materia ad una temperatura superiore a diverse migliaia di kelvin si produce il "quarto stato" della materia, il cosiddetto plasma (oltre ai tre comunemente conosciuti: solido, liquido e aeriforme), composto da elettroni negativi liberi e ioni positivi.
Il plasma è opaco alla luce in quanto le cariche elettriche, di cui è composto, assorbono i fotoni emessi dagli stessi ioni e ciò significa che il "brodo primordiale", esistente al momento del Big Bang, è rimasto opaco alla luce finché la temperatura non è diminuita al di sotto di 10000 gradi. Gli attuali modelli cosmologici (o cosmogonici) suggeriscono che solo dopo 380000 anni dal Big Bang il nostro Universo è diventato trasparente e i fotoni hanno potuto viaggiare alla velocità della luce in tutte le direzioni.
In parole povere, non potremo mai osservare il nostro Universo prima di quell'istante (cioè prima di 380000 anni dal momento dell'esplosione) perché la luce emessa prima di quell'istante non giungerà mai a noi.
I fotoni, che inizialmente avevano una lunghezza d'onda di meno di un milionesimo di metro (campo di luce visibile), ci arrivano ora come microonde (lunghezza d'onda di circa 1mm); tale campo di radiazione, proveniente da tutte le parti dell'Universo, è compatibile con un "residuo cosmico" di radiazioni (CMB) risalenti all'epoca esaminata: 380000 anni dopo il Big Bang la temperatura della radiazione era di 3000 gradi, ora è di 3 gradi (tale temperatura non è, però, uniforme: in alcune zone dell'Universo è leggermente più alta della media mentre in altre zone è leggermente più bassa del valore medio).
Grazie alla relazione di equivalenza tra massa ed energia, è possibile osservare, in acceleratori sempre più potenti, la creazione di nuove particelle e il loro successivo decadimento come se potessimo vedere ciò che accadrebbe prima dei 380000 anni dal Big Bang.
Si pensi che, aumentando di 100 volte l'energia (ad es. da 1GeV a 100GeV), è possibile "risalire" indietro nel tempo di 10000 volte: facendo un esempio, col vecchio LEP siamo giunti ad un decimillesimo di milionesimo di secondo dopo il Big Bang, col nuovo LHC, sempre del CERN di Ginevra, siamo andati ancora più indietro nel tempo, ad un milionesimo di milionesimo di secondo dopo il Big Bang.
In seguito, cercheremo di capire quali sono stati gli avvenimenti che hanno condotto allo sviluppo di nuove "generazioni" di acceleratori, sempre più potenti, fino ad arrivare alla recente scoperta del "bosone di Higgs".
Grazie a tutti e, come sempre, buona lettura ;)







P.S. Nelle foto, l'Universo primordiale ripreso dalla sonda WMAP della NASA e la time-line dell'espansione dal Big Bang (cliccate sull'immagine per ingrandire) :)
 
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Chiccolino

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davvero ben fatta gronag:ok:

che dici inseriamo una classificazione delle particelle?:)
magari entrando un pò più nel dettaglio:)
 
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Premessa: ne so molto poco in merito. Ma queste discussioni sono utili anche per novizi come me.
Ben vengano :sisi:
 
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Uppo la discussione dato il like xD

Ancora valida la mia proposta :p
 
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Andretti60

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... che dici inseriamo una classificazione delle particelle?:) ...
Un po' difficile, visto che le particelle possono essere classificate in molti modi, a seconda delle loro caratteristiche.
Forse si potrebbe iniziare con qualcosa di un po' piu' divulgativo, ossia una veloce storia dello studio delle particelle, andando dal primo modello atomico di Democrito fino ad arrivare al dualismo onda-particella.
E' una storia affascinante, una delle tante che dimostra come la Scienza sia in continua evoluzione e non si ferma di fronte a dogmi. teorie vengono create in base alle ricerche e esperimenti piu' recenti e prendono il posto di quelle precedenti, ampliandole e perfezionandole.
 
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gronag

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Uppo la discussione dato il like xD

Ancora valida la mia proposta :p
Chiccolino,
partiamo dalle 12 particelle-materia del Modello Standard, basato sulla cromodinamica quantistica (l'interazione forte che agisce sui quark) e sulla teoria unificata della forza elettromagnetica (che agisce sulle particelle cariche) con l'interazione debole (cui tutte le particelle sono soggette).
Nel 1979 Glashow, Salam e Weinberg hanno vinto il premio Nobel per il loro contributo alla descrizione della teoria elettro-debole.
Oggi si sa che le particelle osservate sin dagli inizi degli anni Settanta nelle "camere a bolle" non sono affatto elementari ma sono composte di quark. I quark sono particelle-materia elettricamente carichi. Ciascun tipo di quark ha un suo anti-quark, con la stessa massa ma con carica opposta. Quark e leptoni (elettroni, muoni, tauoni e neutrini che non risentono della forza forte) sono le cosiddette particelle fondamentali di materia: finora non hanno rivelato una struttura interna composta, perlomeno fino al limite di 10^(-18)m, ad oggi sperimentato (non è detto che non possano avere, a scale inferiori al millesimo di fermi, una struttura composta).
Protoni, neutroni e nuclei sono invece particelle composte, chiamate adroni (protoni e neutroni si chiamano anche nucleoni).
Ora, le varie particelle sono composte da tre tipi di quark (e dei loro anti-quark): quark-u (up), quark-d (down) e quark-s (strange).
Le cariche di questi quark sono frazionarie, pari cioè ad 1/3 o a 2/3 della carica elementare e (del protone): Il quark-u ha carica pari a (2/3)*e, il quark-d e il quark-s hanno cariche di (-1/3)*e.
Ad esempio il protone ha una composizione d-u-u (down-up-up), cioè è composto da due quark-u e da un quark-d, la sua carica totale é: (-1/3)+(2/3)+(2/3)=+1.
Dato che, in esperimenti con gli acceleratori, non sono state mai rivelate particelle con cariche frazionarie di 1/3 o di 2/3 della carica del protone, si è arrivati alla conclusione che i quark liberi non possono esistere. Essi si legano insieme per effetto dell'interazione forte, ed è per questo che sono anche chiamati "adroni" (hadros in greco significa "forte").
La forza forte è "mediata" dai gluoni, che per ora tralasciamo ma che vedremo in seguito quando discuteremo delle particelle-forza.
Tornando agli adroni, quelli che sono composti da tre quark si chiamano "barioni" (barus in greco significa "pesante").
I protoni e i neutroni sono dunque barioni.
La combinazione di un quark con un anti-quark dà luogo ad un mesone (che può essere un pione o un kaone).
In alcune collisioni si ha un semplice "riallocamento" dei quark (ad es., facendo collidere un protone con un pione negativo, potrebbe prodursi un neutrone e un pione neutro), in altre si può verificare una reazione di "annichilazione", con la scomparsa delle particelle che collidono, accompagnata dalla trasformazione di energia nella massa di un kaone e di una particella "lambda" (che è un barione), entrambe neutre.
In conclusione, il modello a quark ha permesso di prevedere con estrema precisione alcune reazioni subnucleari e allo stesso tempo di escludere molte altre reazioni che negli esperimenti non si verificano.
Buona lettura e a presto :ciaociao:

P.S. quark :sisilui:
 
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Le so bene queste cose :)

In Fisica subnucleare presi 28 :)

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Parliamo di bosoni e fermioni? :D
 
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Molto interessante l'argomento. Faccio solo 1 superiore, ma ho una sorella che è laureata in fisica all'università, e allora mi spiega queste cose... Ovviamente non al livello a cui le tratta lei, ma posso dire che mi piace molto. :p
 
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gronag

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Grazie PowPaw 1368,
per facilitare la consultazione dei miei articoli da parte degli utenti, riporto l'elenco completo dei link alle relative discussioni:

http://www.tomshw.it/forum/-scienza...e-nanotecnologie-post4752902.html#post4752902 (Le nanotecnologie)
http://www.tomshw.it/forum/-scienza...lle-breve-storia-post2874986.html#post2874986 (La fisica delle particelle)
http://www.tomshw.it/forum/-scienza...ione-dei-viventi-post4157792.html#post4157792 (Origine ed evoluzione dei viventi)
http://www.tomshw.it/forum/-scienza...tati-quantistici-post2530828.html#post2530828 (Il principio di sovrapposizione degli stati quantistici)
http://www.tomshw.it/forum/-scienza...ismo-quantistico-post2163890.html#post2163890 (L'indeterminismo quantistico)
http://www.tomshw.it/forum/-scienza...a-massa-mancante-post1768314.html#post1768314 (La massa mancante)
http://www.tomshw.it/forum/-scienza...oria-quantistica-post1841280.html#post1841280 (La teoria quantistica)
http://www.tomshw.it/forum/-scienza...dei-numeri-primi-post1799766.html#post1799766 (L'ipotesi di non casualità dei numeri primi)
http://www.tomshw.it/forum/-scienza...s-deterministico-post1779675.html#post1779675 (Il caos deterministico)
http://www.tomshw.it/forum/-scienza...ma-di-fermat-utf-post1765638.html#post1765638 (L'ultimo teorema di Fermat)

Tieni presente che si tratta semplicemente di brevi note, quasi di pensieri "sparsi", del tutto incompiuti e senza alcuna pretesa di esaustività né di originalità :sisi:
In generale, non c'è alcun criterio logico di scelta degli argomenti se non quello che deriva dagli stimoli del momento o dalla trattazione di tematiche scientifiche attuata in aula, coi miei allievi :sisilui:
Spero che sia di gradimento a tutti gli utenti del Forum e mi auguro che la lettura di tali articoli possa costituire un "momento" di tempo piacevole per tutti come lo è stato per me scriverli e, soprattutto, se avrà contribuito ad ampliare le conoscenze scientifiche di qualcuno, allora il mio compito sarà stato assolto in pieno :ok:
Grazie ;)

- - - Updated - - -

Le so bene queste cose :)

In Fisica subnucleare presi 28 :)

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Parliamo di bosoni e fermioni? :D
Chiccolino,
avendo sostenuto l'esame di Fisica Nucleare e Subnucleare, senz'altro saprai che esiste un'intera trattazione "statistica" dei sistemi a molte particelle che è assolutamente diversa da quella classica :sisilui:
Infatti, mentre nella meccanica classica le particelle sono "distinguibili", anche se sono dello stesso tipo (se due particelle si scambiano di posto, il "microstato" risultante è diverso da quello che si aveva in precedenza), dal punto di vista quantistico i differenti microstati, ottenuti dallo scambio di particelle identiche, debbono essere considerati come un unico microstato :asd:
Fu il fisico Indiano Bose a proporre l'idea dell'indistinguibilità dei fotoni, sottoponendola all'attenzione di Einstein, il quale la estese poi, in un articolo del 1924, alle particelle materiali :sisilui:
Quindi il primo punto fondamentale è questo: nel mondo microscopico si deve tenere presente che tutte le particelle subatomiche e gli elettroni sono "indistinguibili" tra loro, non possiedono alcuna identità personale :asd:
Ora, nella teoria quantistica esistono soltanto due tipi di distribuzioni statistiche, che sono strettamente collegate al valore dello spin delle particelle a cui fanno riferimento: quella di Bose-Einstein e quella di Fermi-Dirac.
Come sai, tutte le particelle subatomiche hanno un determinato valore dello spin, ossia del momento angolare intrinseco: ad esempio, l'elettrone ha spin 1/2, il fotone ha spin 1 e così via.
La statistica quantistica di Bose-Einstein si applica alle particelle subatomiche che hanno spin intero e queste particelle sono chiamate bosoni.
Secondo tale statistica, uno stato quantico può essere occupato da un qualsiasi numero di particelle, cioè i bosoni (ad es. i fotoni) sono, per così dire, "socievoli", preferendo stare insieme e formando un cosiddetto "condensato" :asd:
I fermioni (protoni, neutroni, elettroni, ecc.), invece, che sono particelle a spin semidispari (1/2, 3/2, ecc.), seguono la statistica di Fermi-Dirac, in base alla quale uno stato quantico può essere occupato da una sola particella :asd:
Non è possibile, quindi, trovare due fermioni dello stesso tipo nello stesso stato, con gli stessi numeri quantici magnetici.
I fermioni, a differenza dei bosoni, sono tutt'altro che socievoli ah ah ah :hihi:
A presto e grazie :ciaociao:

P.S. Il principio di Pauli deriva proprio dal fatto che gli elettroni, che seguono la statistica quantistica di Fermi-Dirac, sono fermioni :sisilui:
 
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Chiccolino

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certo che le so queste cose! sono l'abc della QM :D

sai che sto prendendo gli appunti di fisica statistica, il secondo corso quello fatto al primo anno di magistrale e sto ripassando un pò :)

come si modifica PV=nRT per un gas fermioni e bosoni.
hai presente? :)

ps: mi prenderò un pò di tempo a leggere tutte quelle belle discussioni :figo:
 

Baldoni

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Scusate, ma alla fine si riesce ad avere un quadro generale di tutte queste particelle e dei loro campi ?
perche' se si continuano a collidere energie sempre piu' alte, si arrivera' a creare delle particelle mai esistite.
 

Andretti60

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Scusate, ma alla fine si riesce ad avere un quadro generale di tutte queste particelle e dei loro campi ?
perche' se si continuano a collidere energie sempre piu' alte, si arrivera' a creare delle particelle mai esistite.
Forse vorrai dire "mai conosciute" invece di "mai esistite".
In parole povere, la fisica delle particelle si basa su un modello fisico abbastanza vecchiotto, chiamato semplicemente "Modello Classico". Secondo tale modello, il numero di particelle "base" e' abbastanza basso (una dozzina), che riesce molto bene a spiegare tutte le particelle che conosciamo fino ad adesso (che sono una combinazione delle particelle base) e le loro interazioni. Non tutte le particelle sono stabili, anzi, la maggior parte hanno vita media molto molto corta (da cui la difficolta' di provarne l'esistenza), e continuiamo sempre a trovare nuove particelle, direi sia normale. Riusceremo mai a trovarle "tutte" o ad almeno predirle? Difficile a dire a questo punto.
 
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Forse vorrai dire "mai conosciute" invece di "mai esistite".
In parole povere, la fisica delle particelle si basa su un modello fisico abbastanza vecchiotto, chiamato semplicemente "Modello Classico". Secondo tale modello, il numero di particelle "base" e' abbastanza basso (una dozzina), che riesce molto bene a spiegare tutte le particelle che conosciamo fino ad adesso (che sono una combinazione delle particelle base) e le loro interazioni. Non tutte le particelle sono stabili, anzi, la maggior parte hanno vita media molto molto corta (da cui la difficolta' di provarne l'esistenza), e continuiamo sempre a trovare nuove particelle, direi sia normale. Riusceremo mai a trovarle "tutte" o ad almeno predirle? Difficile a dire a questo punto.
Come il mitico bosone di higgs! Che se non sbaglio era già sparito qualche milionesimo di secondo dopo il big bang! Cose che nemmeno uno immagina.
Avevo visto un episodio di big bang theory in cui sheldon aveva trovato un modo per scoprire tutte le particelle esistenti. Ma nessuno sarà mai nerd quanto lui! :p
 
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