WYKŁAD 9. Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników. Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW 4.V Hadrony i struny gluonowe

Transkrypt

1 Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 9 Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW 4.V Hadrony i struny gluonowe Model Standardowy AD 2010 Poza Modelem Standardowym

2 Hadrony = stany związane kwarków Kwarki zawsze na uwiezi, nigdy swobodne. Ale wiązania zupełnie inne niż w atomie lub jądrach Atom wodoru, jądra at. w nich energia wiązania mała, wiec całkowita energia (masa) bliska sumie energii spoczynkowych (mas) składników, - atom wodoru: masa e = 0.511MeV, masa p = MeV, en.wiązania ev - jądro helu (2 p 2n): masa MeV, en. wiązania -28 MeV Łatwo (stosunkowo) można rozdzielić składniki W hadronach kwarki zanurzone w cieście gluonowym o własnościach gumy do żucia: np. w protonie masy kwarków u i d to około 15 MeV, zaś masa p= 938 MeV. Reszta energii spoczynkowej protonu jest zawarta w energii odziaływania gluonów z kwarkami i ze sobą (gluony nie mają masy). Kwarków nie można łatwo rozdzielić, przy takiej próbie napina się struna gluonowa między kwarkami, które chcemy rozdzielić, a energia wiązania rośnie wraz ze zwiększeniem odległości między kwarkami (jak przy rozciąganiu gumy). Struna może pęknąć - wtedy powstają dwie struny z kwarkami na końcu każdej struny, itp

3 Struna gluonowa Pole gluonowe wewnątrz hadronów Gdy próbujemy rozdzielić kwarki pojawia się struna gluonowa, mogą pojawić się też obroty kwarków wokół siebie stany wzbudzone: wyższe energie (masy) i spiny

4 Spin hadronu= całkowity moment pędu struny Całkowity moment pędu J = orbitalny moment pędu L + wewnętrzny moment pędu (spin kwarków) L dla struny r0 rzut z góry r q q v=c Pęd cząstki relatywistycznej: p= mv / (1-v2/c2)

5 Model struny (wg D. Perkins, Wstęp do fizyki wysokich energii str ) Gęstość energii na jednostkę długości struny = k Na końcach struny dwa (prawie) bezmasowe kwarki (q i q) wirują z prędkością v = c Prędkość liniowa elementu struny w odl. r od środka wynosi v/c = r/r0 Energia (masa) struny (całka od 0 do r0) E=mc2=2 k dr (1-v2/c2)-1/2 = kr0π A moment pędu L=2/ħ c2 k rv dr (1-v2/c2)-1/2 = kr02π/2 ħ c Czyli dla struny mamy zależność: J=α E2 + const Nachylenie α =1/2π kħ c Dośw. α = 0.93 GeV-2 k = 0.87 GeV fm -1 ħ c = 197 MeV fm (Oszacowanie np. dla protonu: -1 masa 1 GeV/c2, promień 1 fm, stąd gęstość energii k=1 GeV fm )

6 Trajektorie Reggego J=J0+α m2 DANE dla barionów typu Delta i Lambda spin i kwadrat masy masa2 (GeV2)

7 Pytania i odpowiedzi Czy istnieją glubole hadrony składajace się z samych samych gluonów? Być może.. Gluony bezmasowe a oddziaływanie krótkozasięgowe - jak to możliwe? Nieskończona energia potrzebna, aby oddzielić części układu hadronowego. Fizyczne cząstki musza być kolorowo neutralne i nie ma długo zasięgowych sił kolorowych, tzn. że pole gluonowe jest wygaszone Opis teoretyczny chromodynamika kwantowa (QCD) dla oddziaływań silnych fundamentalnych (kolorowch). Ale nie wiemy jak obliczyć masę protonu (pionu) jako stanu związanego kwarków Wiele potrafimy dzięki asymptotycznej swobodzie dla procesów z dużym przekazem pędu stosuje się rachunek zaburzeń Struny gluonowe początek teorii strun

8 Rozpraszanie głęboko nieelastyczne DIS (deep ineelastic scattering) ep e hadrony - czyli jak zobaczono kwarki w SLAC w 1967r elektron Sonda fotonowa wirtualność q2 =Q2 elektron Q2>>MP2 Duży przekaz pędu q=k'-k do protonu powstaje wiele różnych hadronów proton różne hadrony (nieelastyczność )

9 Warunki doświadczalne: foton 'robi' zdjęcie pewnej konfiguracji składników w protonie - Model Partonowy Feynmana Foton oddziałuje z prawie swobodnym kwarkiem w protonie (eqi eqi) e e różne kwarki qi, eqi2 -ładunek el. qi qi qi(x,q2)= prawdopodobieństwo znalezienia kwarku w protonie, xbj = Q2/(2 pp q)= x, x = część pędu protonu niesiona przez kwark q (parton part of ) Prawdopodobieństwo zdarzenia opisuje funkcja struktury F2 = suma wkładów [eqi2 qi(x,q2)]

10 F2 dane (CERN, DESY,SLAC) Jeśli ten obraz zliczania kwarków prawdziwy to F2 nie zależy od Q2 (skalowanie, Bjorken 1967) Widać słabą zależność pochodzacą od poprawek QCD

11 Produkcja hadronów w DIS Foton wybija kwarku z protonu, napina się struna gluonowa, która pęka i następuje kreacja pary kwarkantykwark: e e przykład p(uud) n(ddu) π+ u u d d u d u d proton neutron pion

12 Dżety (strugi, jety) hadronowe Etap wybicia lub produkcji kwarku w procesie, który nazywamy twardym, tzn. gdy pędy poprzeczne względem pędów cząstek początkowych > 1 GeV, możemy opisywać w rach. zaburzeń Wybity kwark fragmentuje w kwarki i gluony rozwija się kaskada kwarkowo-gluonowa. To proces półtwardy, tzn. pędy poprzeczne od masy pionu do ok. 1 GeV - rachunek zaburzeń, ale suma wszystkich rzędów w αs Następnie proces hadronizacji (znikome pędy) są to procesy miękkie i rachunek zaburzeń nie stosuje się. Stosujemy modele. Ślad po wybitym kwarku to dżety (strugi) hadronowe

13 Czy są dżety hadronowe pochodzące z gluonu? Tak, i czekamy na Nobla e+e- q q 2 dżety hadronowe e+ e- q q g A pioneering discovery in przypadki 3 dżetowe At the PETRA storage ring (DESY), the "gluon" was directly observed for the first time. For their discovery of the gluon in 1979, four DESY scientists received the Particle Physics Prize of the European Physical Society (EPS), considered the "European Nobel Prize in Physics", in 1995.

14 A simulation of what the decay of a Z+Higgs to four hadronic jets would look like in ILC detector

15 TeVatron: Dżety hadronowe z dużymi pędami poprzecznymi produkowane pod różnymi kątami (parametr y; y=0, kąt 90 º ) Teoria: pqcd (perturbative QCD) Znakomita zgodność! Darren Price Latest jet results from the Tevatron:: Moriond QCD March 16th2010

16 Model Standardowy AD 2010 Znakomita zgodność z doświadczeniem dla oddziaływań elektrosłabych (choć brak cząstki Higgsa) i silnych (choć nie umiemy wyprowadzić z pierwszych zasad mas hadronów) Ale są problemy: np. w sektorze elektrosłabym poprawki pętlowe i różne skale energii problem hierarchii Mh << MPl Rozbieżności kwadratowe w poprawkach do masy Mh Mh2=(Mh2)tree+δ(t)+δ(W/Z)+δ{h} Stosując obcięcie w całkach po energiach cząstek w pętlach do skali =10 TeV, tzn zakładając, że Model Standardowy stosuje się do tych energii fine tunnig (musimy precyzyjnie dobrać wkładów) Dużo parametrów (masy, stałe sprzężenia, kąty mieszania) Niezerowa masa neutrin.. 3 rodziny - dlaczego? Brak kandydatki na ciemną materię Brak unifikacji oddziaływań elektrosłabych z silnymi.., z grawitacją..

17 Poza Modelem Standardowym dążenie do unifikacji Model Standardowy: symetria cechowania SU(2)xU(1)xSU(3)c EW: SU(2)xU(1) częściowa unifikacja sił słabych i e-m Wielka Unifikacja (Grand Unified Theory - GUT) łączenie oddziaływań EW i silnych. Symetria cechowania GUT widoczna przy energiach powyżej 1016 GeV - zbliżanie się stałych sprzężenia. Różne modele. W grawitacji naturalna skalą jest skala Plancka masa Plancka 1.2 x 1019 GeV długość Plancka 1.6 x m Polecam artykuł J. Lukierskiego O d M odelu S ta nda rdo w eg o do teo rii M :T eorie W s zys tk ieg o

18 Kierunki badań 1/Rozszerzenie symetrii supersymetria 2/Rozszerzenie czasoprzestrzeni dodatkowe wymiary przestrzenne 3/ Rozszerzenie obiektów rozciągłe obiekty fundamentalne (struny, membrany i brany p-wymiarowe) Ku Teorii Wszystkiegopełna unifikacja wszystkich oddziaływań fundamentalnych i renormalizowalność Uwaga- badania nad substrukturą w zaniku

19 SUPERSYMETRIA W przyrodzie dwa typy cząstek: fermiony i bozony Supersymetria zakłada symetrię fermion bozon, czyli podwojenie składu cząstek Supersymetryczni partnerzy znanych cząstek z MS = cząstki SUSY Cząstki SUSY muszą być b. masywne bo ich nie obserwujemy. Supersymetria musi być łamana

20 Słodcy partnerzy skwarki, sleptony, spin 0 gaugina,higgsina spin 1/2 Masy ~ 1 TeV

21 Supersymetria jest super Problem hierarchii usunięty kasowanie się wkładów od fermionów i bozonów w pętlach Unifikacja oddziaływań: lepsze zbieganie stałych sprzężenia Zał. nowa liczba kwantowa R i jej zachowanie więc najlżejsza cząstka SUSY jest trwała kandydat/tka na ciemną materię

22 Unifikacja sił (SM=Standard Model i MSSM = Minimal Supersymetric Standard Model)

23 SUPERSYMETRIA wg D. Grossa Odkrycie supersymetrii To jak odkrycie kwantowych wymiarów czaso-przestrzeni Naturalne i unikatowe rozszerzenie relatywistycznych symetrii natury

24 Minimalny Standardowy Model Supersymetryczny MSSM - sektor Higgsa Dwa dublety pól skalarnych aby nadać masy wszystkim czastkom fundamentalnym. Przewidywane 5 cząstek Higgsa (spin zero): h, H, A i H±(h jak w SM) Higgsina o spinie ½ Gaugina (gaudżina, spin ½; fotino, gluino,wino,zino) mieszają się z higgsinami fizyczne cząstki: neutralina (neutralne) i czardżina (naładowane)

25 Teoria Wielkiej Unifikacji: SU(5) Symetria cechowania SU(5) (zawiera SU(2)xU(1)xSU(3) jako podgrupę) idea w 1974 r Glashow, Georgi W multipletach zarówno kwarki jak i leptony możliwość zamiany kwarków w leptony i odwrotnie 12 kolorowych bozonów cechowania: X (ład. el. -1/3 e) i Y(-4/3 e) plus gluony, foton, W/Z = 24 bozony cechowania 3 generacje fermionów (15 stanów) np. ur,ug,ub,dr,dg,db, e-,νe w różnych stanach spinowych; również leptokwarki występują X,Y Skwantowanie ładunku el.; ład. el. e- = - ład. el.p Ale proton się rozpada w wyniku wymiany bozonów X i Y za szybko: czas życia lat (dane > lat)

26 Rozpad protonu p e+ π0 Przykłady procesów z wymianą X i Y proton d u u X e+ u u u e+ Y u d d d

27 D.Gross Jeśli czaso-przestrzeń jest dynamiczna mogą istnieć nowe, zwinięte, wymiary przestrzenne To może wyjaśnić oddziaływania e-m jako efekt grawitacji w 5 wymiarach!

28 Superstruny Przykład Teorii Wszystkiego (Theory of Everything) połączenie wszystkich oddziaływań wraz z grawitacją. W kwantowej grawitacji oddziaływania punktowe, a to prowadzi do osobliwości (nieskończonych wyrażeń) Zastępujemy cząstki punktowe strunami o skończonej długości W grawitacji skala Plancka lpl= m, MPl= GeV Cząstki zamknięte pętle i różne wzbudzenia strun różne cząstki fundamentalne. Teoria renormalizowalna w przestrzeni o wymiarach 10 lub więcej Parametr opisujący struny α - ten sam co w oddziaływaniach hadronów! Superstruny wciąż brak konkretnych przewidywań

29 D.Gross

30 Ale są i inne opinie Veltman: this book is about a physics, and this implies that the theoretical ideas discussed must be supported by experimatal facts. Neither supersymmetry nor string theory satisfy this criterion. They are figments of the theoretical mind. To quote Pauli: They are not even wrong. They have no place here.

31 Pytania do wykładu Ile wynosi gęstość energii na 1 fm dla struny gluonowej? 9.02 Co to są glubole? 9.03 Jaki parametr występuje zarówno w opisie hadronów jak i teorii strun? 9.04 Czy istnieją dżety hadronowe zapoczątkowane przez gluon? 9.05 Czy w rozpadach bozonów W mogą powstawać dżety hadronowe? 9.06 Co oznacza skrót GUT? 9.07 Czy Wielka Unifikacja dotyczy połaczonego opisu oddziaływań fundamentalnych wraz z grawitacją? 9.08 Dla jakich energii przewiduje się realizację Wielkiej Unifikacji? 9.09 Czy superymetria została odkryta? 9.10 Ile cząstek Higgsa przewiduje MSSM? 9.11 Czy proton jest stabilny w teorii cechowania SU(5)? 9.12 Czy istnieją teorie zakładające różną od 4 liczbę wymiarów? 9.13 Jaka jest główna idea teorii superstrun? 9.14 Czy teoria superstrun uwzględnia grawitację? 9.15 Czy teoria superstrun jest renormalizowalna?