Già l'antica Grecia aveva formulato ipotesi sugli elementi costituenti la materia

La Tavola periodica degli elementi di Mendeleev

La presenza di periodicità negli elementi chimici fa supporre che siano costituiti da poche particelle semplici

La struttura della materia fino ad oggi a noi nota

Dimensione di una molecola 10^-9 m, atomo 10^-10 m, nucleo 10^-14 - 10^-15 m, nucleone 10^-15 m, quark < 10^-18 m

I Nucleoni formati da due tipi di particelle puntiformi: Quark Up -- Quark Down

Attorno a loro una "nuvola" di elettroni -- tanti elettroni quanti protoni, per avere un atomo neutro

La struttura di un atomo suddivisa filo alle particelle puntiformi

Atomo di Elio circondato dalla nube di due elettroni

Il decadimento radioattivo ha richiesto la esistenza dell'antineutrino

Dapprima ipotizzato, poi finalmente scoperto

La scoperta dei muoni ha avuto luogo dallo studio delle interazioni dei protoni dei raggi cosmici con l'atmosfera

Grazie ai raggi cosmici ed acceleratori si sono scoperte altre particelle fatte da quark come il pione e le particelle con quark strano

I pioni sono fatti dagli stessi quark up e down che costituiscono neutrone e protone, mentre altre sono le particelle che contengono quark nuovi

Le particelle del Modello Standard - bisogna aggiungere le 12 corrispettive antiparticelle

Le antiparticelle sono uguali alla materia, ma hanno carica contraria. Il neutrino, che é neutro, differisce dall'antineutrino per una proprietà legata allo spin [ tale proprietà si chiama elicità ed é la proiezione della quantità di moto sullo spin, proiezione negativa per il neutrino e positiva per l'antineutrino ]

Le particelle elementari interagiscono con quattro possibili forze elementari:

Forza nucleare forte, ( 10³ EM = elettromagnetica ) azione a brevissimo raggio - permette l'esistenza del nucleo

Forza elettromagnetica, ( 1 EM ) azione fino all'infinito - permette l'esistenza dell'atomo e delle molecole

Forza debole, ( 10^-2 EM ) azione fino a distanze medie - è responsabile del decadimento radioattivo

Forza gravitazionale, ( 10^-35 EM ) azione fino all'infinito - permette l'esistenza delle galassie - entra in gioco

quando le altre sono tutte mascherate in qualche modo

Le forze agiscono per scambio di particelle, senza contatto diretto tra loro. Come le ragazze della barca, che scambiandosi il pallone, si allontanano

Non tutto interagisce con tutto:

Campo nucleare forte: interagisce solo con i quark - tramite i gluoni

Campo elettromagnetico: interagisce solo con le particelle portatrici di carica - tramite i fotoni

Campo nucleare debole: interagisce con tutte le particelle - tramite i bosoni Z⁰ W+ W-

Campo gravitazionale: interagisce con tutte le particelle - tramite i gravitoni

Simmetrie e leggi di conservazione

Una legge di conservazione afferma che una particolare proprietà misurabile non cambia mentre il sistema si evolve nel tempo. Oppure che una certa legge non cambia a fronte di un qualche tipo di riflessione ( e.g. specchio )

se    Δenergia / Δtempo = 0 → l'energia si conserva

Ci sono processi con le particelle che non sono invarianti se li guardo allo specchio. Ancora, se il film di un evento lo faccio girare all'indietro, non è più lo stesso fenomeno. Queste realtà sono ben descritte dal Modello Standard. Se le simmetrie sono importanti, anche le rotture di simmetria lo sono.

Limiti del Modello Standard

include particelle con masse molto diverse ...... come fanno a essere tutte particelle elementari?

si osservano proprietà ricorrenti periodicamente ...... set di particelle simili, ma di massa crescente

questo per i fisici è indice di una struttura interna fatta di meno particelle elementari

non include la gravità ..... non include la materia oscura ..... non include la energia oscura

non spiega perché la materia ha prevalso sull'antimateria .....