Compendio di terminologia della Fisica delle Particelle Elementari a

Particelle ed Interazioni fondamentali
Fermione. Particella a spin semintero, che obbedisce
alla statistica di Fermi-Dirac, cioè due fermioni con gli
stessi numeri quantici non possono coesistere in uno
stato simmetrico.
Bosone. Particella a spin intero, che obbedisce alla
statistica di Bose-Einstein, che è opposta a quella di
Fermi-Dirac.
Adrone. Particella soggetta ad interazione forte. Tra
gli adroni figurano i mesoni (bosoni costituiti da un
quark ed un antiquark) ed i barioni (fermioni, costituiti
da 3 quark o da 3 antiquark). Questa definizione
sarebbe un po’ obsoleta perché oggi i veri adroni
elementari sono i quark.
Barioni e numero barionico. Barione significa
particella pesante. A queste particelle si associa il
numero barionico, che vale +1 per un barione e -1 per
un antibarione.
Mesone. Il nome significa: particella con massa
intermedia (tra quella dell’elettrone e quella del
protone). Questa proprietà è valida solo per alcuni
mesoni , ma non per tutti. I mesoni sono adroni a spin
intero o nullo.
Quark di valenza. Uno dei quark o antiquark
effettivamente costituenti che determinano le proprietà
di un adrone.
Quark del mare. Oltre ai quark di valenza un adrone
hanno successive annichilazioni, il che porta ad una
popolazione fluttuante di quark, detti quark del mare.
contiene un popolazione di altri quark. Il campo di
colore della forza forte è propagato da gluoni con
creazione di coppie quark-antiquark virtuali cioè che
possono apparire entro un tempo sufficiente breve
compatibile col principio di indeterminazione e poi
hanno successive annichilazioni, il che porta ad una
popolazione fluttuante di quark, detti appunto quark
del mare.
Sapore. Individua il tipo di quark. Si hanno 6 sapori:
u (up), d (down), s (strano), c (charm), b (beauty o
bottom), t (truth o top). I quark con sapore u, d, s sono
detti leggeri. I 6 quark si possono raggruppare in 3
famiglie: (u,d), (c,s) e (t,b). Naturalmente esistono
anche gli anti quark che hanno sapore di segno
opposto.
Il colore. Proprietà dei quark, che viene indicata con i
colori: rosso (R), verde (green, G) e blue (B). Ad ogni
colore corrisponde un anticolore (dato dal suo colore
complementare):
antirosso
(ciano),
antiverde
(magenta) e antiblu (giallo). Il colore è la sorgente del
campo dell’interazione forte e corrisponde alla carica
elettrica per i campi elettromagnetici.
Singoletto di colore. Si ha nel caso degli adroni, che
sono ottenuti da quark con combinazioni di colore tali
da dare un oggetto senza colore. Questo si ottiene
con i 3 colori (B,G,R) o i loro 3 anticolori nei barioni e
con uno dei colori associato al suo anticolore nei
mesoni. I sistemi microscopici osservabili in natura
sono soltanto singoletti di colore
Tripletto di colore. I quark avendo uno dei tre colori,
costituiscono un tripletto di colore.
Ottetto di colore. I gluoni sono portatori di colore,
facendo cambiare il colore ad un quark che lo emette
o lo assorbe. Si hanno 9 combinazioni indipendenti
dei colori e degli anticolori. Una delle combinazioni,
essendo simmetrica rispetto ai diversi colori ed
anticolori, non può essere utilizzata per individuare un
portatore di colore. Le altre 8 combinazioni
costituiscono un ottetto dei gluoni.
Leptone. Particella, con o senza carica elettrica (i
neutrini), che non è sensibile all’interazione forte. Il
nome dovrebbe indicare una particella leggera, il che
non si verifica per il leptone τ che ha una massa di
2
1777 MeV/c . I leptoni sono particelle elementari e
non si è osservata una sottostruttura; cioè possono
essere considerati puntiformi.
Interazione. Indica la possibilità di uno scambio di
momento (impulso) e di energia tra particelle e la
creazione di coppie di particelle o la loro
annichilazione.
Campo. Funzione a una o più componenti dello
spazio e del tempo. Descrive le interazioni tra le
particelle e ne determina le proprietà.
Particelle reali e virtuali. Una particella con massa
M, momento P, energia totale E è detta reale se
soddisfa alla relazione: E = (M2c4+p2c2 )
(Conservazione dell’energia in forma relativistica - c è
la velocità della luce).
Altrimenti è una particella virtuale, che per il principio
di indeterminazione (E.th/2) può esistere per un
tempo limitato.
Interazione elettromagnetica. Interazione tra un
campo elettromagnetico e particelle con carica
elettrica o con una struttura elettrica. Genera:
- Le forze elettriche e magnetiche.
- L’assorbimento e l’emissione di fotoni.
- La creazione e l’annichilazione di coppie particellaantiparticella.
Quanto Elettro Dinamica (QED). Teoria quantorelativistica per particelle cariche in un campo
elettromagnetico, generato per emissione e
assorbimento di fotoni virtuali.
Interazione debole. Agisce sia sui quark che sui
leptoni. E’ mediata da bosoni di massa elevata: W+, Z,
W-. Non porta a stati legati. E’ responsabile del
decadimento di molte particelle, che altrimenti
sarebbero stabili. Questo è dovuto alla non
conservazione della parità e del sapore dei quark.
Interazione forte. Si manifesta nell’interazione tra i
quark all’interno degli adroni, tra adroni e in processi
di decadimento di adroni o di sistemi di adroni. Questo
tipo di interazione viene descritta nella Quanto-Cromo
Dinamica (QCD) in termini di campo generato dalle
cariche di colore e propagato dai gluoni.
Interazione debole ed elettromagnetica ad alte
energie. La reazione e++ e-→ ++ -, dalla soglia fino a
circa 10 GeV, è dovuta a scambio di fotoni, poi lo
scambio di Z° diviene gradualmente più importante, è
dominante ad energie corrispondenti alla massa della
Z° (90 GeV). Infine ad energie superiori si hanno
contributi simili per lo scambio di fotoni e Z°.Le due
interazioni sono pertanto simili ad alte energie.
Interazione elettrodebole. I bosoni W+ e W
permettono la trasformazione di un leptone in un
neutrino della stessa famiglia. I bosoni neutri, Z° e
gamma, producono coppie fermione-antifermione. Il
gamma non interagisce con neutrini.
Forze nucleari o forti. Si osservano nei fenomeni di
urto tra nucleoni liberi e negli stati di nucleoni legati
nei nuclei. Possono essere valutate nell’ambito di un
modello
alla
Yukawa:
campo
determinato
dall’emissione di mesoni (essenzialmente pioni)
virtuali. Questo tipo di interazione può essere
ricondotta all’interazione forte descritta dalla QCD
(Cromodinamica quantistica), cioè il campo generato
dalle cariche di colore e trasmesso dai gluoni. Per
effetto del confinamento negli adroni dei quark,
portatori di colore, l’interazione forte viene trasmessa
all’esterno tramite particelle prive di colore (mesoni
virtuali).
Trasformazioni e leggi di conservazione.
Consideriamo una trasformazione determinata da un
cambiamento nel sistema di riferimento. Un sistema
fisico o un fenomeno che è invariante rispetto ad una
certa trasformazione possiede una simmetria.
Un’invarianza porta ad una legge di conservazione:
Leggi di conservazione. Alcune di queste leggi
erano già state individuate in fisica classica per i
sistemi macroscopici. Conservazione dell’energia, del
momento, del momento angolare totale, della carica
elettrica. Anche la conservazione della parità può
essere verificata nei fenomeni macroscopici. Altre
leggi di conservazione sono state individuate nei
fenomeni microscopici: per il sapore ed il numero dei
quark, dei numeri barionico e leptonici. Non per tutte
le interazioni valgono tutte queste leggi di
conservazione.