LE QUATTRO FORZE FONDAMENTALI Alunni: Martina, Paola, Monica, Ahmed Classe 1A Alberghiero – Porto...
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LE QUATTRO FORZE FONDAMENTALI
Alunni: Martina, Paola, Monica, Ahmed Classe 1A Alberghiero – Porto Sant’Elpidio (FM)
Tutor: prof. Pierluigi Stroppa
La forza nucleare
forte
Obiettivi di conoscenza e competenza
•Sapere a che serve l’acceleratore di Ginevra
•Approfondire la conoscenza della forza nucleare forte•Sapere che con gli esperimenti si possono creare nuove particelle
•Sapere la struttura dell’atomo e delle particelle che lo costituiscono
•Conoscere le particelle che costituiscono l’atomo
•Conoscere le 4 forze fondamentali
•Conoscere i diversi tipi di quark che costituiscono i nucleoni
Obiettivi di abilità• Collegare una forza fondamentale ai fenomeni
macroscopici che provoca
• Costruire un modello per rappresentare l’interno dell’atomo
• Evidenziare il legame tra l’evoluzione dell’universo e la forza nucleare forte
• Saper organizzare una videopresentazione per un convegno
Metodologia
• Lezioni frontali partecipate con uso di campioni
• Lavori di gruppo, role playing
• Invito alla produzione di videopresentazioni
• Ricerche bibliografiche e navigazione in rete
Mezzi e strumenti
• Libri di testo e riviste scientifiche
• Personal computer e videoproiettore
• Laboratorio scientifico
• Macchina fotografica digitale e videocamera
• Lavagne d’ardesia, magnetica e luminosa
• Minerali, calamite, bussole
• Modelli e poster
LE QUATTRO FORZE FONDAMENTALI
Sono la forza forte, quella debole, la elettromagnetica e la forza di gravitazione
La forza nucleare forte (FNF)
• Agisce nel nucleo dell’ atomo, all’interno dei protoni e dei neutroni
• Ha la proprietà del confinamento*, cioè nei barioni (protoni e neutroni) sono presenti come triplette
• È veicolata dai gluoni (dall’inglese “glue” che significa colla) che tengono insieme i Quark dentro i protoni e i neutroni
* Dato che sinora gli scienziati non sono riusciti a separare le terne di Quark, hanno coniato per essi la proprietà del “confinamento”
Le particelle fondamentali della materia
• La materia ordinaria è formata dai leptoni e quark
• Nella prima famiglia (o generazione) di particelle i leptoni sono il neutrino elettronico e l’elettrone
• Nella primafamiglia di particelle iQuark sono
upe down
Organizzazione dei Fermioni
Nome 1a
generazione
2a generazion
e
3a generazion
e
Quark
Up Charm Top
Down Strange Bottom
Leptoni
Neutrinoelettronico
Neutrinomuonico
Neutrinotauonico
Elettrone Muone Tau
Secondo il modello standard, tutta la materia ordinaria che osserviamo nel mondo macroscopico è costituita da quark e leptoni. …
.. infatti è costituita da atomi che sono a loro volta composti da un nucleo ed uno o più elettroni, che sono i più leggeri tra i leptoni carichi. ..
…… il nucleo è costituito a sua volta da protoni e neutroni che sono composti ciascuno da tre quark.
Sopra l’interno di un protone
Sopra l’interno di un neutrone
• Infine le particelle mediatrici delle forze risultano essere tutte bosoni.
La Qcd = Quantum chromo-dynamic
La Qcd (dall’inglese Quantum chromo-dynamic ) ocromodinamica quantistica, è la teoria che descrive anche il“colore” dei quark.
I quark vanno combinati in modo che il colore complessivo sia
nullo… (rosso + verde + blu) ciò significa che devono trovarsi
“confinati” all’interno di particelle “bianche”. Le particelle mediatrici dei quark, i gluoni, risentono dei colori
dei quark… questa interazione si chiama “forza di colore” e la
teoria che la descrive è la Qcd
Curiosità: il Quarkoscopio
• Il quarkoscopio è uno strumento fabbricato dall’ AMA (associazione marchigiana astrofili di Ancona).
• Con esso si possono vedere i quark che sono nei protoni e nei neutroni.
• A lato il quarkscopio indica la
struttura del protone
I quark up e down
• Le tre famiglie di quark prevedono ciascuna un quark di carica +2/3 ed uno di carica -1/3.
• I quark più leggeri sono up (u) e down (d), che combinati secondo lo schema uud formano il protone (di carica +2/3 +2/3 -1/3 = 1), mentre combinati secondo lo schema udd formano il neutrone (di carica +2/3 -1/3 -1/3 = 0).
Com’ è fatto un protone?Il protone è formato da tre quark: uno di colore rosso (chiamato up); uno di colore blu (chiamato up); uno
dicolore verde (chiamato down). Questi ultimi possiedonorispettivamente, carica elettrica +2/3 e -1/3. La carica elettrica +1 del protone si ottiene, quindi,combinando due quark up e un quark down:
Carica +2/3 +2/3 -1/3 = +1
Com’ è fatto un neutrone?
Il neutrone, invece, è privo di carica elettrica;Esso infatti è formato da due quark down euno up (-1/3 -1/3 +2/3 = 0).
Le particelle della seconda e terza famiglia
• Queste particelle esistevano subito dopo il Big Bang. Ora si trovano solo nei raggi cosmici e vengono prodotte negli acceleratori di particelle.
Organizzazione dei Fermioni
Nome 2a
generazione3a
generazione
Quark
Charm Top
Strange Bottom
Leptoni
Neutrinomuonico
Neutrinotauonico
Muone Tau
Un esperimento particolare: il QGP
• Il QGP (Quark Gluon Plasma)
Il QGP è lo stato dellamateria che esistevaprobabilmente pocodopo il big bang e pocoprima la formazionedei protoni e deineutroni (vedi immagine alato, da Zullini & Scaioni)
QGP
OTTENERE Il QGP (Quark Gluon Plasma)
• Per ottenere il QGP si dovranno scegliere come proiettili degli ioni (nuclei privi di elettroni) pesanti, cioè contenenti molti protoni e neutroni (e dunque molti quark e gluoni). Ad esempio il Piombo che ha 82 protoni e 126 neutroni.
• Gli ioni vengono accelerati a velocità relativistiche e poi fatti collidere. Si può così creare una zona “calda” e “densa” nella quale vengono riprodotti i valori di temperatura necessari per formare il QGP.
OTTENERE Il QGP (Quark Gluon Plasma)
• Si dovrà raggiungere la temperatura di duemila miliardi di gradi (100.000 volte la temperatura all’ interno del sole!).
• In ALICE si studieranno le collisioni tra due fasci di ioni di Piombo, accelerati dal collider LHC in direzioni opposte, e poi fatti collidere frontalmente.
Problemi tecnici
• *Un’interazione PbPb all’energia di LHC produrrà migliaia di particelle
• *Notevoli difficoltà tecniche per progetto/realizzazione dei rivelatori che dovranno identificare e realizzare tali particelle
Problemi concettuali
• * Il QGP ha una “vita” effimera; durante questa breve vita si verificano dei processi di espansione e raffreddamento che provocano una transizione verso particelle “ordinarie” (non colorate). Queste, dopo una fase relativamente più lunga di interazioni reciproche, “ volano” verso i rivelatori.
• * Sono queste le particelle che vediamo nei nostri rivelatori e NON i quark e i gluoni del Quark-Gluon Plasma. Occorre pertanto identificare dei segnali univoci dell’avvenuta formazione (per brevissimi istanti) del QGP.
BIBLIOGRAFIA• Nicola Dallaporta (1986), “sguardo sull’attuale cosmologia” ed. Borla
• Franc Wilczek (2010), “la leggerezza dell’essere. La massa, l’etere e l’unificazione delle forze” ed. Mondadori
• Ippolita Martellotta & Rosa Anna Rizzo (2009): “English for Science, facing the future” lingue Zanichelli
• Aldo Conti & Lino Miramonti “una particella molto sfuggente”, in quark album cacciatori di neutrini. A cura dell’INFN
• Antonio Masiero & Massimo Pietroni “Il lato oscuro dell’Universo” in “La materia oscura” collana “asimmetrie” anno 2 n°4-giugno 2007. A cura dell’INFN
• Angela Bracco “Al cuore della materia” in “Nuclei e stelle” collana “asimmetrie” anno 4 n°9-settembre 2009. A cura dell’INFN
• Alberto Del Guerra “Antimateria al lavoro per la salute” in “antimateria” collana “asimmetrie” anno 3 n°7-ottobre 2008. A cura dell’INFN
• Nicola Cabibbo “Le interazioni deboli” in “la lunga caccia al neutrino” collana “asimmetrie” anno 2 n°3 - dicembre 2006. A cura dell’INFN
• A.Zullini e U.Scaioni “scienze della terra”, edizioni ATLAS
• Poster INFN 1951-2001, “50 anni di ricerca italiana alla frontiera della scienza e della tecnologia”
• Autori vari “fisica, gli scienziati delle forze fondamentali e il loro istituto”
• Stephen Hawking, 1988, “A brief history of time, from the Big Bang to Black Holes”
• F.Bagatti & alii (2.000) “elementi di chimica, sezione C: dalla struttura dell’atomo ai legami chimici”.
• Luca Novelli (2007), “Einstein e le macchine del tempo”, in lampi di genio, ed. scienza.
SITOGRAFIA
• www.wikipedia
• www.pierluigistroppa.altervista.org
• www.infn.it
• www.asimmetrie.it
• www.cern