Introduzione alla Teoria delle Stringhe: Unificazione delle Forze Fondamentali, Slide di Ingegneria Nucleare

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Il modello standard, teoria delle

stringhe, cosmologia, e molto altro…

Stefano Covino INAF/Osservatorio Astronomico di Brera Associazione Urania Martedì 11 giugno 2013

Cosa sono le stringhe?

La teoria delle stringhe è uno scenario teorico che “vorrebbe” unificare meccanica quantistica e relatività. Si fonda su un’ipotesi di base: materia, energia, spazio e tempo, sono in realtà manifestazioni diverse di un’unica entità primordiale: nota come stringa o anche p-brane.

L ‘ atomo nel 1900...

• Gli atomi interagiscono attraverso reazioni chimiche
• Più di 100 atomi conosciuti (H, He, Fe …)
• La struttura interna non era conosciuta, ma si sapeva di una carica elettrica interna Niels Bohr 1885 - 1962

Modello per l’atomo

• Con gli esperimenti si riesce a “spaccare” gli atomi
• Particelle leggere a carica negativa (elettroni) intorno ad un nucleo positivo e pesante
• L‘atomo è praticamente vuoto! E. Rutherford 1871 - 1937

Quarks

• In realtà anche protoni e neutroni non sono unità fondamentali.
• Sono composti da particelle più piccole dette quarks.
• Per il momento questi quarks sembrano essere puntiformi. M. Gell-Man 1929- G. Zweig 1937-

Dimensioni (sub)-atomiche

• Il nucleo è 10,000 volte più piccolo dell’atomo
• Il protone ed il neutrone sono 10 volte più piccoli del nucleo
• Non ci sono evidenze che i quarks abbiano dimensione.

E ’ uno zoo molto ben fornito…

Ma cosa è quindi “ fondamentale ”?

• I fisici hanno trovato centinaia di nuove particelle.
• E, per la maggior parte, non sono fondamentali.
• C’è una teoria, detta Modello Standard , che sembra spiegare bene quello che osserviamo in natura.
• Questo modello include 6 quarks, 6 leptoni e 13 particelle che trasportano le forze tra quarks e leptoni.
• Per non parlare dell’anti-materia.

Elettromagnetismo

• Le forze elettromagnetiche fanno s i c h e c a r i c h e o p p o s t e s i attraggano e cariche uguali si respingano.
• Il portatore della forza è il fotone (γ).
• Il fotone è senza massa e si propaga alla velocità della luce. - Un nucleo pesante contiene molti protoni, tutti con carica positiva - Questi si respingono - Perchè allora il nucleo non esplode?

Forza Forte

• In aggiunta alla carica elettrica, i quarks portano anche un nuovo tipo di carica, detta “carica di colore”.
• La forza tra le particelle che hanno carica di colore è detta forza forte. - La forza forte tiene insieme i quarks a formare gli adroni. I portatori della forza forte sono i gluoni: ci sono 8 diversi gluoni. - La forza forte agisce solo su corte distanze.

Forza elettrodebole

• N e l M o d e l l o S t a n d a r d l a f o r z a elettromagnetica e quella debole sono state unificate in una unica forza elettro-debole.

• A distanza molto piccole (~

   m), le 

  interazioni deboli ed elettromagnetiche hanno la stessa intensità.
• I portatori della forza sono, bozoni, W e Z. C. Rubbia 1934-

Riassunto delle interazioni

• Ma quanto debole è la gravità? Per due protoni, F gravity

• F EM
• È convinzione generale che ci manca qualche ingrediente importante. Perchè la gravità è così debole?
• O magari, in realtà, non lo è…

Cosa si può dire sulle masse?

• Il Modello Standard non può spiegare perché una particella ha una certa massa.
• I fisici hanno teorizzato l’esistenza di un nuovo campo, detto di Higgs, che interagisce con le altre particelle per dare loro la massa.
• Il bosone di Higgs è stato probabilmente osservato sperimentalmente pochi mesi fa’ al CERN.