LA FORZA NUCLEARE DEBOLE - pierluigistroppa.altervista.org

LE QUATTRO FORZE
FONDAMENTALI
La forza
nucleare
debole
Alunni: Alice, Matteo e Debora Classe 1C Alberghiero – Porto Sant’Elpidio (FM)
Tutor: prof. Pierluigi Stroppa
Obiettivi di conoscenza e competenza
•Conoscere le 4 forze fondamentali
•Sapere a che serve l’acceleratore di Ginevra
•Approfondire la conoscenza della forza nucleare debole
•Sapere che con gli esperimenti si possono creare nuove particelle
•Sapere la struttura dell’atomo e delle particelle che lo costituiscono
•Conoscere i diversi tipi di quark che costituiscono i nucleoni
•Sapere che all’LHC (Large Hadron Collider) di Ginevra si
possono creare nuove particelle che potrebbero spiegare (in
parte) l’origine della materia oscura
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 la radioattività,la fusione
termonucleare e la forza nucleare debole
• Saper organizzare una videopresentazione per un
convegno
Metodologia
• Lezioni frontali partecipate con uso di
campioni
• Lavori di gruppo, role playing
• Ricerche bibliografiche e navigazione in rete
• Invito alla produzione di videopresentazioni
Mezzi e strumenti
• Libri di testo e riviste scientifiche
• Laboratorio scientifico
• Personal computer e videoproiettore
• Macchina fotografica digitale e videocamera
• Lavagne d’ardesia, magnetica e luminosa
• Minerali, calamite, bussole
• Modelli e poster
Gli Acceleratori di particelle:
lineari e circolari
Esistono due tipi di acceleratori: l’acceleratore
lineare più famoso è SLAC-Stanford,
California Acc. Lineare - 3 km
L’acceleratore circolare più famoso è CERN,
Ginevra, Svizzera Acc. Circolare LEP/LHC 27 km.
Funzionamento dell’LHC
Un acceleratore di particelle è in pratica un “super
microscopio”.
I fasci di protoni si incrociano 40 milioni di volte al secondo.
A ogni incrocio, avvengono in media 20 collisioni protoneprotone per un totale di 800 milioni di collisioni per secondo.
Ci si aspetta di vedere il bosone di Higgs una volta ogni
10000000000000 di collisioni,quindi non più di una volta al
giorno.
Rivelatori di particelle
Nell’acceleratore ci sono rivelatori di particelle,
questi sostituiscono l’occhio umano, per
“vedere” particelle e radiazioni di alta energia.
Sono anche loro sistemi grandi e complessi,
dotati di elettronica ottica e meccanica di
precisione e di migliaia di computer.
Obiettivi dell’LHC
Atlas e Cms hanno come scopo principale la verifica
dell’esistenza del bosone di Higgs, grazie all’enorme energia
con cui fa scontrare fra loro gruppi di protoni, il bosone di
Higgs, la particella in grado di spiegare come mai esiste la
massa.
Ci si aspetta di vedere il bosone di Higgs una volta ogni
10.000.000.000.000 di collisioni, quindi non più di una volta
al giorno.
Alice:i fisici osserveranno un plasma di quark e gluoni, cioè
uno strato della materia esistito subito dopo il Big Bang.
La forza nucleare debole
 È responsabile della radioattività e della fusione
termonucleare, in quanto causa la trasformazione dei
protoni in neutroni e viceversa;
 agisce sulle particelle subatomiche (protoni e neutroni);
 non agisce sui fotoni e sui gravitoni;
 nel 1967 la FND fu unificata con la FEM.
L’atipicità della forza nucleare debole
Ogni tipo di interazione ha un ruolo preciso nell’economia
dell’Universo, ma le interazioni deboli sono molto diverse
dalle altre.
Infatti, mentre gli altri tipi di interazioni, cioè le
gravitazionali, le elettromagnetiche e le forti, si
manifestano soprattutto come forze di attrazione e
repulsione tra le particelle, la specialità delle interazioni
deboli è quella di trasformare una particella in un’altra.
Nel dicembre del 1933 apparve su “la ricerca scientifica”, la
rivista del Consiglio Nazionale delle Ricerche, un articolo
di Enrico Fermi dal titolo “tentativo di una teoria
dell’emissione dei raggi beta”.
La fusione termonucleare
Il disegno è uno schema semplificato di quello
che avviene nella fusione termonucleare; in
realtà lo schema è più complesso (vedi slide
successiva)
Tratta dal quaderno di Irina, in www.pierluigistroppa.altervista.org
La fusione termonucleare
La fusione termonucleare è la reazione nucleare che
avviene nel sole e nelle altre stelle, con produzione di
una enorme quantità di energia.
Nella reazione di fusione nuclei di elementi leggeri, quali
l’idrogeno, a temperature e pressioni elevate, fondono
formando nuclei di elementi più pesanti come l’elio.
Gli isotopi dell’idrogeno
Gli isotopi sono atomi di uno stesso
elemento che contengono lo stesso
numero di protoni ma diverso numero
di neutroni.
Sono noti tre isotopi dell’idrogeno:
l’idrogeno propriamente detto (H),
il deuterio (D) e il trizio (T). Il
nucleo di tutti e tre contiene un
protone, il che li caratterizza come
forme dell’elemento idrogeno; il
nucleo di deuterio contiene inoltre
un neutrone mentre quello del
trizio due neutroni.
La radioattività
Il flusso di calore interno terrestre (FCIT) è causato dal
fenomeno della radioattività
L’uranio-235 ogni 713 milioni di anni (tempo di dimezzamento)
si trasforma in piombo-207 determinando un avanzo di
massa (Δm) pari a 28 unità di massa atomica (28 uma).
A causa della formula di Einstein ΔE = Δm . c2(come nella
fusione termonucleare) l’avanzo di massa (Δm) si trasforma
in ΔE sviluppando calore.
Tratta da A.Zullini e U.Scaioni “scienze della terra”
Schema semplificato
Tratta da A.Zullini e U.Scaioni “scienze della terra”
Schema più complesso
Tratta da wikipedia
Applicazioni nella medicina
Per la ricerca applicata è anche prevista la messa in funzione di
un acceleratore di protoni di alta intensità e bassa energia
con cui realizzare fasci di neutroni.
Irraggiando un bersaglio di berillio o di litio si produrranno fino
a 100 mila miliardi di neutroni al secondo, che saranno
utilizzati per studi applicativi nel campo dei materiali,
dell’astrofisica e della medicina.
Il metodo è basato sulla capacità del boro di catturare
neutroni termici e decadere in un nucleo di litio e uno di elio.
L’irraggiamento del paziente con neutroni termici provoca la
rottura del Boro-10 che si comporta come una “microbomba”,
distruggendo in modo selettivo solo le cellule tumorali.
La Bnct (Boron Neutron Capture Theraphy) è
una terapia per la cura dei tumori diffusi.
Questa tecnica fa
uso di neutroni
“termalizzati” che
nel nostro caso
avranno un flusso di
un miliardo di
neutroni al secondo
per centimetro
quadrato.
Antimateria al lavoro per la salute
Il grande successo è dovuto alle alte potenzialità di questa
tecnica nell’ identificazione dei tumori e delle metastasi
all’interno del corpo umano,mediante il radiotracciante FFDG (F-FluoroDesossiGlucosio).
Il F-FDG segue il percorso del glucosio all’interno del
corpo umano, quindi si accumula nelle cellule a più
elevato metabolismo, come le cellule tumorali.
Questo permette di ricostruire un’immagine quantitativa
e tridimensionale delle zone tumorali, che offre la
possibilità di una diagnosi oncologica più accurata e di
elevato valore prognostico.
La materia oscura e le lenti gravitazionali
Le lenti gravitazionali sono fenomeni che indicano la presenza
di masse che non vediamo: è grazie al piegamento della loro
luce emessa (fenomeno previsto da Albert Einstein) che
riusciamo ad individuarle.
L’alone di materia oscura della Via Lattea
Gli scienziati
ipotizzano che
intorno la materia
visibile della
nostra galassia ci
sia un alone di
materia oscura
A lato si vede che la
materia oscura
piega la luce di
lontane galassie
facendola giungere
a noi grazie al
fenomeno delle
lenti gravitazionali
La materia oscura e le lenti gravitazionali
All’LHC di Ginevra stanno tentando di capire da cosa è
costituita la materia oscura. Gli scienziati ipotizzano che
essa sia costituita in parte da stelle fredde e quindi poco
luminose (nane grigie) e in parte da particelle ancora da
scoprire.
IL MISTERO DEI NEUTRINI
Seconda la teoria del Modello Standard delle particelle, i
neutrini sono particelle elementari con carica elettrica nulla
e massa zero. Esperimenti recenti dimostrerebbero invece
che i neutrini sono dotati di una massa, se pure
piccolissima. La massa del neutrino elettronico sarebbe
almeno 250.000 volte più piccola di quella dell’elettrone.
Conclusions
The universe composition
Today we know just 4.6% of
the universe composition.
We know that the dark matter
exists but not directly; as the
universe is still expanding
(against the Newton’s gravity
force) we can suppose that
some forms of dark energy
exist.
Clil – The Universe: birth and evolution
The shape of the universe
THE SHAPE OF THE UNIVERSE
The point where
the three different
coloured lines
meet represents
the big bang
event
Big Freeze or Big Rip
DISTANCE BETWEEN THE
GALAXIES
OPEN
FLAT
Big
freeze
CLOSED
NOW
TIME
Clil – The Universe: birth and evolution
Big
Crunch
The shape of the universe
THE SHAPE OF THE UNIVERSE
In this picture you can have an idea about the different shapes of the universe
The open universe is similar to an horse saddle
The flat it looks like a carpet
The closed universe it looks like the upper part of a
parachute
Clil – The Universe: birth and evolution
Conclusions
The dark matter
How can we demonstrate that
the dark matter exists?
Scientists have noted that the
speed of the stars on the
border of the Milky Way (our
galaxy) is higher than the
supposed one.
This means that some matter
exists there!
Clil – The Universe: birth and evolution
Conclusions
Conclusions
The destiny and the shape of the universe depend not
only on the density of the visible matter, but also on the
so called “dark matter”, the one we can’t see yet.
In addition we have to consider the dark energy that
represents the counterpart of Newton’s gravity. In fact it
is repulsive, not attracting.
In Gran Sasso lab and in the LHC of Geneva they
are trying to calculate how much dark matter and
how much dark energy there are in the universe.
Clil – The Universe: birth and evolution
BIBLIOGRAFIA
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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°9settembre 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
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SITOGRAFIA
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www.pierluigistroppa.altervista.org
www.infn.it
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www.cern