Spotkanie VII (listopad, 2013)

Transkrypt

1

2 Spotkanie VII (listopad, 2013)

3 Pytanie, czym są elementarne składniki materii było stawiane od samych początków rozwoju myśli ludzkiej. Zajmowali się nimi fizycy, filozofowie i dziennikarze. Pytanie to było zadawane przez filozofów greckich. Od tego czasu mamy bowiem pisane przekazy. Poglądach starożytnych Greków: Filozofowie jońscy (Tales, Anaksymander, Anaksymenes, Heraklit) cztery żywioły (ziemia,ogień, powietrze, woda), Atomiści (Demokryt, Leukipos, Epikur) ---- istnieją niepodzielne atomy, Platon i jego uczniowie ---- substancje składają się z brył, zwanych bryłami platońskimi, Arystoteles ---- substancja to ciągłe tworzywo Prawie 2000 lat przetrwał pogląd tego najbardziej wpływowego a więc Arystotelesa.

4 Pierwsze koncepcje składu materii -Żywioły Ogień Woda Powietrze Ziemia

5 Empedokles z Akragas ( p.n.e.) Ogień Ziemia Suchość Zimno Miłość Nienawiść Woda Gorąco Powietrze Wilgotność

6 Korzystam ze slajdów przygotowanych przez Andrzeja Wróblewski w jego wykładzie Historia fizyki

7 A.Wróblewski

8 A.Wróblewski

9 ! Filozofowie jońscy Co stanowi substancje Wszechświata PRATWORZYWO! Pitagorejczycy (Pitagoras z Samos ok p.n.e.) Interesowali się formą i proporcją substancji we Wszechświecie, Zasady matematyczne są zasadami wszystkich rzeczy, W środku Wszechświata jest ogień, Ziemia to jedna z gwiazd,! Teoria atomistyczna Istnieją niepodzielne atomy, mają różne kształty, stąd różne własności substancji! Bryły Platońskie (Platon p.n.e.) Substancja składa się z brył! Teoria Arystotelesa (Arystoteles ze Stagiry p.n.e.) Stworzył spójny system wiedzy obejmujący wszystkie aspekty świata ( Fizyka, O niebie, Meteorologia,Mechanika, Metafizyka, O powstawaniu i ginięciu)

10 ! Matematyka i Optyka Euklidesa (Euklides ok p.n.e.) Geometria Euklidesowa aksjomat równoległości przez punkt nie leżący na prostej A przechodzi tylko jedna prosta równoległa do A.! Elementy astronomii (Eratostenes (ok p.n.e.); Posejdonios (ok p.n.e.); Arystarch z Samos (ok p.n.e.)) Próby obliczenia obwodu Ziemi, Odległości do Księżyca i Ziemi, Średnice Ziemi, Księżyca i Słońca, Obserwacje jasnych gwiazd.! Dzieło Archimedesa (Archimedes ( p.n.e.) Prawo Archimedesa, Prawa dźwigni, Obiekty fizyczne są rzeczywiste.! Prace Ptolemeusza (Ptolemeusz ok n.e.) Układ geocentryczny (Ruch dobowy sfery niebieskiej, tor Słońca, tor Księżyca,zaćmienia, Teoria ruchu planet), Prawo załamania światła.

11 A.Wróblewski

12 A. Wróblewski

13 Platon p.n.e. czterościan, sześcian, ośmiościan, dwunastościan, dwudziestościan A.Wróblewski

14 A.Wróblewski

15 Dzieło Archimedesa A.Wróblewski

16 Wydaje się, że korpuskularność materii nie obca była Newtonowi ( ). Rozpatrywał w swojej teorii dynamiki punkty materialne. Jawnie mówił o świetle jako zbiorze korpuskuł. Dalsze poglądy (XVII i XIX wiek) na temat budowy materii były związane z badaniami chemicznymi ( łączenie różnych substancji i tworzenie nowych) i poszukiwaniem wyjaśnienia natury ciepła i spalania. Pojęcie pierwiastka sprecyzował chemik angielski Robert Boyle ( ). Pierwiastki chemiczne łączą się ze sobą w określony związek chemiczny zawsze w tym samym stosunku wagowym, zatem stosunek mas pierwiastków tworzących dany związek chemiczny jest wielkością stałą. Jeżeli dwa pierwiastki chemiczne tworzą więcej niż jeden związek chemiczny, to ilości wagowe jednego pierwiastka, przypadające na stałą ilość wagową drugiego pierwiastka, pozostają do siebie w stosunku niewielkich liczb całkowitych, np. w tlenkach azotu ( N ) 2O, NO, N2O3, NO2, N2O5 Masy tlenu przypadające na jednostkę masy azotu pozostają do siebie w stosunku 1:2:3:4:5. W tych samych warunkach ciśnienia i temperatury objętości reagujących ze sobą substancji mają się do siebie jak proste liczby całkowite np. w reakcji syntezy amoniaku z pierwiastków ( N ), 2 + 3H 2 2NH3 stosunek objętości azotu do wodoru wynosi 1:3; podobnie stosunek objętości powstałego amoniaku do sumy objętości substratów wynosi 12 A.Wróblewski

17 A.Wróblewski

18 A.Wróblewski Dalton jest uważany za twórcę współczesnego atomizmu. Hipoteza Arystotelesa odchodziła w niepamięć. Pierwiastki składają się z atomów. Rosła znana liczba pierwiastków. W połowie XIX wieku Dimitr Iwanowicz Medelejew ( ) rozmieścił wszystkie znane pierwiastki i przewidział istnienie nowych odkrył prawo okresowości pierwiastków chemicznych. Powstał UKŁAD OKRESOWY MENDELEJEWA

19

20 Ø Trwałe = Z = 1-83 z wyjątkiem Z = 43 (techmet) oraz Z = 61 (promet) Jądra Z + N = A Ø 272 trwałe nuklidy, Ø 335 naturalne nietrwałe nuklidy, Ø 1500 sztuczne nuklidy, Ø Z max = 118,

21 Następny etap w poznawaniu struktury materii to odkrycie elektronów. Przedstawia to tabela obok. NN 1906 A. Wróblewski Dalsze odkrycia struktury wewnętrznej! Ernest Rutherford (1898)----- odkrycie promieniowania α i β;! Paul Villard (1900) odkrycie promieniowania γ;! Jean Perrin(1901), Kelvin(1902), Philipp Lenard(1903), J.J.Thomson, H.Nagaoka(1904) pierwsze modele atomu;

22 NN 1908 NN 1922! A.Einstein (1905) sugestia istnienia kwantów promieniowania elektromagnetycznego,! James Chadwick (1911) widmo promieniowania β;! E.Rutherford (1911) obserwacja rozpraszania cząstek α na jądrach złota (α + Au), drugi model atomu;! Nils Bohr (1913) hipoteza orbitalnego modelu atomu, trzeci model atomu;! E.Rutherford (1919) obserwacja reakcji jądrowych, wykrycie protonów (protony to jądra atomów wodoru), podanie pierwszego modelu jądra (np. dla azotu N (Z=7, A=14), N= 14 p + 7e);! Powstanie Mechaniki kwantowej (dualizm korpuskularno- falowy ( ):

23 M.Planck (NN 1918), N.Bohr (NN 1922), E.Schrödinger (NN 1933), W.Heisenberg (NN 1932), P.Dirac (NN 1933), M.Born (NN 1955), L.de Broglie (NN 1929), W.Pauli (NN 1945). Czwarty model atomu! P.Dirac (1928) sugestia istnienia antymaterii;! C.D. Anderson (1932) odkrycie pierwszej antycząstki, antyelektronu = pozyton;! Goudsmit,Uhlenbeck (1925) odkrycie, iż elektrony posiadają wewnętrzną własność nazywaną spinem s=1/2;! D.Denison (1927) proton też posiada spin s=1/2; NN 1936

24 ! F.Rasetti (1929) pokazanie, że jądra azotu też mają spin s=1;! L. Meintner, Orthmann (1929) ---- widmo elektronów w rozpadzie β jest ciągłe; N. Bohr (1930) hipoteza - możliwe jest, że w rozpadzie β mamy niezachowanie energii, pędu i momentu pędu ;! W. Pauli (1930) istnieje nowa cząstka, nazwana małym neutronem a później neutrinem;! Irena i Frederic Joliot Curie (1932) ---- w rozpraszaniu cząstek α na jądrach berylu zaobserwowali istnienie ciężkich fotonów ;! J. Chadwick (1932) ciężkie fotony to nowe cząstki nazwane neutronami, elektrycznie obojętne o masie zbliżonej do masy protonu; Drugi model jądra: N=14 p + 7 e + 7ν α + Be C " γ " γ " NN 1935

25 ! D. Iwanienko (1932) ---- protonowo neutronowy model jądra;! W. Heisenberg (1932) ---- ( skąd biorą się elektrony w jądrze?), pierwsza teoria sił jądrowych;! E.Fermi (1934) pierwsza teoria oddziaływań słabych;! H. Yukawa (1935) podanie teorii sił jądrowych;! C. Anderson i S. Neddermeyer odkrycie mezonów µ w promieniowaniu kosmicznym i początkowe mylne potraktowanie ich jako cząstek Yukawy;! C.F. Powell (1947) odkrycie pionów Yukawy;! R. Hofstadter (1954) rozpraszanie elektronów na jądrach, zbadanie ich rozmiarów; N = 7 p + 7 n n n = = p + e p + NN 1949 e +ν e + n p + π ; p n + π ; 0 0 p p + π ; n n + π NN 1950 NN 1961

26

27

28 Lata 50-te pierwsza koncepcja budowy materii; ( p, n, e MATERIA = { powiązane przez γ} ) Problemy, skąd + 0 ± π, π, π, µ, ν e! D.A.Glaser (1952) zbudowanie pierwszej komory pęcherzykowej służącej do detekcji promieniowanie kosmicznego;! Odkrycie wielu nowych cząstek ( K, Λ, Σ, Δ, Ξ, ρ,...);! M. Gell-Mann, K.Nishijinma (1953) odkrycie dziwności s ; NN 1960

29 ! S. Sakata (1956) model cząstek zbudowanych z p,n, Λ;! F. Reines, C. L. Cowen (1956) wykrycie neutrina elektronowego! M. Gell-Mann, Y. Ne eman (1961) droga ośmiokrotna ósemki i dziesiątki cząstek o spinach 0, 1, 1/2 oraz 3/2;! L. Ledermann, M. Schwartz, J. Steinberger (1962) ---- wykrycie drugiego rodzaju neutrin- neutrin mionowych;! M. Gell-Mann, G. Zweig (1964) ---- hipoteza że odkrywane cząstki składają się z kwarków (asów);! O. Greenberg, Y. Nambu, M-Y Han ( ) kwarki obdarzone są dodatkową liczbą kwantową nazwaną kolorem ;! I. J. Friedman, H. Kandall, R.E. Taylor ( ) eksperymentalne wykrycie kwarków i hipotetycznych gluonów; NN 1995 dla F.R. NN 1988 NN 1969 dla M.G-M u=up, d=down, s=strange. NN 1990

30 Drugie uproszczenie: MATERIA = { (u,d, e ) powiązane fotonami i gluonami} + π Problemy: ( ν, µ, s) Bariony = składają się z trzech kwarków Mezony= układy składające się z kwarku i antykwarku proton u u d u d mezon + π d d u neutron

31 Jak poznajmy strukturę materii? Akceleratory po co? rodzaje zasada działania p + p, p + antyproton e + p e + pozyton neutrino + e neutrino + nukleon

32

33 Tylko do 2000 roku LEP Mikroskopy si gamy w g b materii

34

35 SLAC

36

37

38

39

40 Największe detektory odbieramy różne sygnały Detektor Super-Kamiokande Kamioka Obserwatory ICRR Institute for Cosmic Ray Research

41 LEP Korytarz Detekcja cząstek Odkrycie cząstki W i Z0

42 Kosmiczny Teleskop Hubble a Kosmiczny Teleskop Hubble a wyniesiony na orbitę w 1990roku i umieszczony na wysokości 480km nad Ziemią Jest wolny od zakłóceń przez atmosferę planety.

43 Teleskopy - liczne okna na Wszechświat Pierwsze Obserwatorium należące do ESO (The European Southern Obserwatory) położone na górze La Silla (2400m.n.p.m) na pustyni Atacama. Cztery europejskie teleskopy VLT (Very Large Telescope) umieszczone na szczycie Cerro Paranal (2640m n.p.m.) w Chile Ostatni zamontowano pod koniec 2000r.

44 ! B.Richter, S. Ting (1974) wykrycie czwartego kwarku powabnego c,! Kobayashii, Maskawa (1973) przewidzieli istnienie trzeciej generacji kwarków i leptonów,! M. Perl (1975) odkrył istnienie trzeciego leptonu naładowanego τ,! L. Lederman (1978) odkrył piąty kwark b - piękny! W ośrodku Fermilab koło Chicago został wykryty szósty kwark t (1995),! W tym samym ośrodku zostało zaobserwowane ν τ trzecie neutrino (2000),! W CERN-ie cztery eksperymenty pracujące przy akceleratorze LEP pokazały, że istnieją tylko trzy generacje kwarków i leptonów. NN NN-1995

45 LHC Detectors ATLAS LHCb CMS ALICE

46 ATLAS = A large Toroidal LHC ApparatuS 46

47 CMS = The Compact Muon Solenoid an Experiment for the Large Hadron Collider at CERN 47

48 Sheldon Glashow Abdus Salam Steven Weinberg Nagroda Nobla z Fizyki, 1979 Powstanie Modelu Standardowego Peter Higgs, one of the 2013 physics Nobel Laureates, stands in front of the CMS detector i ostateczne potwierdzenie 2012 François Peter W. Englert Higgs Nagroda Nobla z Fizyki, 2013

49

50 Porównanie stanu wiedzy na temat podstawowych składników materii w dwóch przełomowych okresach. Od A.Wróblewskiego

51 Tablica Kwarków i Leptonów

52 Detektor Alice (LHC)

53 Pomimo, że mamy w tej chwili zadawalająca teorię opisującą najdrobniejsze składniki materii nie uważamy ja za satysfakcjonującą. Wiele pytań pozostaje bez odpowiedzi.! Dlaczego są trzy rodziny?! Dlaczego kwarki posiadają trzy kolory?! Jak wyjaśnić masy kwarków i leptonów?! Dlaczego stałe fizyczne mają takie wartości jakie mają?! Dlaczego łamana jest symetria CP?! Dlaczego mamy mieszanie pomiędzy kwarkami i leptonami?! Problem kwantowej grawitacji,! W jaki sposób teoria cząstek wyjaśni powstanie Wszechświata. Panuje przekonanie, że obecny skład podstawowych składników materii ulegnie modyfikacji przy wzroście energii.

54 LHC rozpoczął prac z energią 7-TeV w marcu 2010, i podwyższył energię do 8 TeV w kwietniu Higgs produkowany na zderzeń p p Do tej pory wyprodukowano zderzeń p p Obserwacja głównie prowadzone w kanałach W! " l +# Z! l + l Najlepszy kanał, ale mała statystyka, około 200 przypadków Prawdopodobieństwa rozpadu cząstki Higgsa o masie 125 GeV na różne kanały Jety hadronowe, trudno rozróżnić Testujemy sprzężenia c. Higgsa z: 1) kwarkami, 2) leptonami, 3) cząstkami cachowania 54

55 Bardzo popularną teorią jest teoria z nową symetrią łączącą fermiony z bozonami. Ta nowa symetria nazywa się SUPERSYMETRIĄ. Supersymetria transformuje funkcje falowe zwykłych cząstek w hipotetyczne supercząstki zwane scząstkami. Każda scząstka posiada spin różniący się o1/2 od spinu zwykłej cząstki. Bozon foton 1 fotino 1/2 Bozon gluon 1 gluino 1/2 Bozon W, Z 1 wino, zino 1/2 zwykłe cząstki Bozon grawiton 1 grawitino 3/2 Bozon Higgs 0 Higgsino 1/2 Fermion kwarki ½ skwark 0 Fermion elektron ½ slektron 0 Supersymetrycznip artnerzy Fermion mion ½ smion 0 Fermion tau ½ stau 0 Fermion neutrino ½ sneutrino 0

56 W chwili obecnej mamy, rządzące się własnymi prawami trzy oddziaływania! ujednolicone oddziaływania elektrosłabe,! oddziaływania silne,! oddziaływania grawitacyjne. Oddziaływania słabe Oddziaływania elektromagnetyczne Istnieją próby połączenia oddziaływań elekrosłabych i silnych i stworzenie zunifikowanej teorii oddziaływań elektrosłabo - jądrowych. Od wielu lat chcemy też stworzyć kwantowy opis oddziaływań grawitacyjnych i stworzyć wspólna teorię z grawitacyjno elektrosłabo - jądrową

57 Połączenie Teorii Wielkiej Unifikacji (GUT) z grawitacją TOE (Theory of Everything) TOE = TEORIA SUPERSTRUN??

58 SPIN ½ FERMIONS SPIN 0 BOSONS Leptons Quarks u d ν e e c s ν µ t b ντ µ τ Sleptons Squarks u% c% t% d % s% b % ν% ν% e µ ν% τ e% µ%τ% The Generations of Matter The Generations of Smatter

59 Większość rysunków w tym opracowaniu zostało skopiowanych z poniższych witryn internetowych

60 Dziękuję za uwagę 60