Wstęp do fizyki cząstek elementarnych. Ewa Rondio

Transkrypt

1 Wstęp o fizyki cząstek elementarnych Ewa Ronio CERN, 22 września 2009

2 cząstki elementarne krótka historia pierwsze cząstki próby klasyfikacji jak sklaac harony z kwarków kolor więzienie kwarków oziaływania jeszcze raz kolor skłaniki Moel Stanarowego

3 Krótka historia 1905 A. Einstein wyjaśnił obserwowany efekt fotoelektryczny postljąc, że światło jest strmieniem kwantów energii fotony E γ = hv 1923 Compton baał rozpraszanie fotonów na elektronach Fotony niosą nie tylko energię, ale i pę - jak cząstki. baanie cząstek à zerzenia Rys F. Żarnecki

4 rozpraszanie Rtherfora hipotez jąra atomowego à sta jż blisko o proton, potem netron...

5 pierwszy etap znane cząstki: foton, elektorn, jąro atom potem skłaniki jąra: proton i netron potem kolejne cząstki obsewowane w promieniowani kosmicznym π, µ..it przyspieszanie cząstek i prokcja nowych

6 prokcja nowych cząstek w zerzeniach cząstki nałaowane można przyspieszac, kierować ich rchem i zerzać z tarczą najlepsze to protony lb elektrony (sa nałaowane i trwałe, więc można je łatwo zbierać i przyspieszać) obserwjemy wszystko co powstaje (oziaływania z prokcją cząstek) w miarę wzrost ostępnych energii można prokować coraz cięższe cząstki większość cząstek jest nietrwała, żyją jakiś czas, potem cząstka zamienia się na kilka innych (lżejszych) (rozpay cząstek)

7 Zerzenie wóch obiektów o żej energii Powstaje wiele obiektów, niektóre zpełnie inne niż te które się zerzyły masa cząstek powstaje kosztem energii pocisków E = mc 2

8 cząstki o nowych własnościach były obserwowane w: à kaskaach prokowanych przez promienie kosmiczne à akceleratorach przyspieszających o coraz wyższych energii

9 pojawiają się coraz to nowe cząstki LHC

10 coraz więcej cząstek elementarych... cząstki o spinie całkowitym à MEZONY π +,π,π 0 K +,K,K 0,K 0 ρ +,ρ,ρ 0 η,ω... cząstki o spinie połówkowym à BARIONY p,n Λ,Σ +, Σ, Σ 0 Ξ +,Ξ,Ξ 0 Ω,... potrzeba porzakowania, à może te cząstki mają barziej elementarne skłaniki????

11 propozycja Gel- Manna:

12 q=- 1/3 q=+2/3 wszystkie znane wówczas sząstki można poskłaać z 3 cegiełek o ość ziwnych własnościach mięzy innymi ich łanki mszą być łamkowe (- /+1/3 i +/- 2/3) q=- 1/3 np. proton = s

13 jak skłaać cząstki z kwarków? to barzo proste: msimy wiezieć czy cząstka jest mezonem czy barionem bo to nam mówi czy bęzie się sklaała z pary: kwark- antykwark (mezon) czy z trzech kwarków (barion) jaki ma łanek czy ma jakąś oatkową (tak zwaną aytywną liczbę kwantową) ziwność lb powab (s,c), albo piękonść lb prawziwość (b,t) to na powie czy msimy ołożyć któryś z kwarków z rgiej lb trzeciej roziny i jż można zaczynać mezon π + q _ q łanek +1 kwark +2/3 anty kwark (- 1/3) ziwność=0 czyli bęą tylko à kwarki i _ mezon K + pierwsza część tak samo ziwność = 1 więc msibyć anty- kwark s _ s a jak bęzie K łanek - 1 s=- 1 s _

14 a jak to bęzie la barionów? barion = 3 kwarki można pamętać że liczba barionów msi być zachowana barion ma liczbę barionową = 1, a kwark 1/3 q q q jak zbować proton? tylko kwarki i, łąnek +1 2/3 2/3-1/3 a jak netron??? 2/3-1/3-1/3

15 hipoteza wyawała się ziwna, ale wprowazała porząek i miała barzo ciekawe własności symetrii mezony (spin 0,1..) skłaają się z pary kwark- anty kwark bariony (spin ½, 3/2...) skłaają się z trzech kwarków wszystkie cząstki ało się wpisac w takie roziny (8, 12..), ale nie wszystkie miejsca były pełne

16 jak bjemy, tesjemy hipotezy czy la każej cząsk znajjemy miejsce czy ten opis nie łamie zanych postawowych praw? t okazało się, że jest problem: istniała cząskta Δ ++ (spin = 3 / 2) = jej zbowanie wymaga 3 kwarków takich samych () o tak samo stawionych spinach ale... à 2 fermiony (cząstki o spinie ½) nie moga sie znajować w tym samym stanie à trzeba wprowazic liczbe kwantową którą bęą sie różnić!!!!

17 aby cząskta Δ ++ mogła istnieć kwark msi występować w trzech wersjach przez analogie o optyki la liczby kwantowej rozróżniającej te 3 wersje przyjęto nazwę KOLOR kwarki występją w 3 kolorach obserwowane cząstki à bariony i mezony nie niosą liczby kwantowej kolor à są BIAŁE takie wyjaśnienie ratowało moel, a przy okazji ostarczyło argment laczegow natrze obserwjemy tylko trojki krarków i pary kwark- antykwark obserwowane cząsk\ są białe kwarki są więzione jak to wyjaśnić???

18 kwark ma kolor, oiaływania mięzy kwarkami to oziaływania obiektów kolorowych barion = 3 kwarki biały jesli oswamy kwarki à naciąga sie miezy nimi strna kolorowa im łższa strna tym większą ma energię mezon kwark- antykwark biały przy pewnej oległości energia strny jest barzo ża à może się zamienić w masę nowej pary kwark- antykwark E = mc 2 à teraz mamy stare i nowe kwarki, które mogą tak się zgrpować aby powstały 2 białe cząstki: barion i mezon

19 mamy o czynienia z mieszanką wszystkich kombinacji kolorów

20 czy inne obserwacje potwierzają moel kwarków i istnienie kolor? opszczenie cząstek skłaających sie z 3 kwarków różniacych sie tylko kolorem pozwala opisać cząstki Δ ++ = i Δ = la 3 rozajów kwarków należy się też spoziewać cząstki zbowanye z sss gy wprowazano kwarki takiej cząstki nie znano jej masa została przewiziana na postawie moel Ω i w krótkim czasie ją znaleziono jest to cząstka

21 barion = 3 kwarki biały mezon kwark- antykwark biały bariony i mezony czestniczą w oziaływaniach silnych = harony alsze baania wykazały, że jest jeszcze czwarty kwark, potem okryto jeszcze 2 à tak wiec mamy 6 kwarków tworzacych 3 pary : łanek - 1/3 i łanek 2/3 każy kwark występje w 3 kolorach z takiego zestaw kwarków można zbować wszystkie znane ziś HADRONY

22 ołożenie czwartego kwarka powoje, że otychczasowe roziny cząstek poszerzają się (nowa oś à c )

23 czy to wszystkie cząstki elementarne?? wiemy, że NIE à elektron nie jest haronem, nie skłaa się z kwarków

24 LEPTONY cząstki, które nie biorą ział w oziaływaniach silnych (biorą w słabych i jeśli mają łanek to w elektro- magnetycznych) pierwszy okryty lepton à elektron teraz wiemy, że leptonów jest 6, tworzą pary: nałaowany netralny (netrino) o nich bęzie poźniej

25 czy teraz jż mamy wszystkie skłaniki? wiemy, że nie, à w naszej klasyfikacji nie ma FOTONU to nośnik pola (elektro- magnetycznego) cząstki komnikiją się przez wymianę à cząstki przenoszącej ozalywanie prezentacja graficzna: Diagramy Feynmana

26 oziaływanie to wymiana nośnika = kwant pola

27 reakcje zachozące po wpływem oziaływań silnych rozpa rezonans (cząstki barzo krótko żyjącej) π + Δ ++ p Δ ++ pπ + proces postawowy: kwark emitje glon _ który tworzy pare cząstką przenoszącą oziaływanie jest GLUON

28 czy takie procesy zawsze są możliwe? trzeba jeszcze sprawzić czy są opszczone przez zasae zachowanie energii i pę φ(ss ) K + K glon jest nośnikiem oziaływania Masa(φ) = 1.019GeV / c 2 masa(k) = GeV / c 2 wizimy, że rozpa jest możliwy, ale zostaje barzo mało energii na pę kaonów w kłazie śroka masy. O takich procesach mówimy, że są tłmione przez małą przestrzeń fazową. czas życia bęzie nieco większy

29 inny przykła: J / Ψ(cc ) DD??? masa GeV sma mas GeV masa GeV ponieważ nie wystarcza energii na rozpa na cząstki z kwarkiem powabnym (c) te kwarki mszą anihilować i z powstałej energii pojawią się inne, lżejsze kwarki ten rozpa jest niemożliwy c _ c J /ψ π + π

30 reakcje mięzy cząstkami też opiszemy teraz na poziomie oziaływań kwarków à nośnikami są GLUONY π p π 0 n π π 0 proton n π proton _ π p π + π n π + π n

31 oziaływanie elektro- magnetyczne e + µ + γ e e - sprzężenie jest proporcjonlne o łank elektrycznego oziaływanie obiektów pnktowych anihilacja elektron i pozyton prokcja pary np. mionów µ proton harony rozpraszanie elektron na obiekcie złożonym - protonie Foton masa =0, à zasięg oziaływania nieskończony

32 oziaływania słabe (przenoszone przez nałaowane bozony masywne ) masa nośnika ok 80 GeV skończony, krótki zasięg (słabe) S W ± C _ zmieniają zapach kwark wprowazają leptony o procesów rozpa W + µ + _ ν µ D 0 K µ + ν µ albo albo: _ D 0 K π +

33 oziaływania słabe przenoszone przez bozon Z 0 e + Z 0 γ e +,µ +,τ +,,,,c, s,t,b,,ν e,ν µ,ν τ e - w tych procesach może też być wymieniany foton (oziaływanie elektromagnetyczne) Te wie możlwości nie mogą być rozróżnione interferencja Dla małych energii wymiana foton ominje e,µ,τ,,,,c, s, t,b,,ν e,ν µ,ν τ powstają wszystkie możliwe pary które ają łanek zero i zachowją aytywne liczby kwantowe: czyli ss,cc,it

34 potwierzenie istnienia kolor pomiar stosnk przekrojów czynnych w oziaływani e+e- liczymy ile jest kombinacji kwark- antykwark w porównani o mionów, gzie wiemy ze jest jena (nie ma kolor) la małych energii tylko foton czyli sprzężenie jest proporcjonalne o łank jeśli każy kwark liczy się raz to oczekjemy 15/9

35 15/9 mierzymy 3 razy wiecej à KOLOR

36 Moel Stanarowy opis cząstek i ich oziaływań To są wszystkie (obecnie znane) cząstki elementarne Polegają tym samym UNIWERSALNYM prawom fizyki D. Kiełczewska, wykła 1 µ s c s b ν e t b e c s t b ν µ c ν τ t

37 Moel Stanarowy w kolorach Generacja I Generacja II Generacja III ν e ν µ Leptony e µ ντ τ Kwarki c c c t t t s s s b b b Bosony pośreniczące Z 0 W + W γ glony D. Kiełczewska, wykła 1