WYKŁAD 6. Oddziaływania kolorowe cd. Oddziaływania słabe. Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników

Transkrypt

1 Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 6 Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW 11.XI.2009 Oddziaływania kolorowe cd. Oddziaływania słabe

2 Cztery podstawowe oddziaływania Oddziaływanie grawitacyjne Oddziaływanie elektromagnetyczne Oddziaływanie silne (jądrowe i kolorowe) Siły jądrowe działają między nukleonami przyciąganie; są odpowiedzialne za tworzenie jąder atomowych. Wewnątrz nukleonów i innych hadronów (cząstek oddziałujących silnie) - kwarki i siły kolorowe między nimi. Oddziaływanie słabe (elementarne i fundam.) Rozpady promieniotwórcze niektórych jąder np. rozpad neutronu na p i antyneutrino el. Na poziomie fundamentalnym realizowane między kwarkami i leptonami, we współpracy z oddziaływaniem e- m(oddz.elektrosłabe)

3 Diagramy Feynmana foton jest neutralny elektrycznie gluon jest kolorowy

4 Oddziaływania kolorowe Przykład elementarnego aktu oddziaływania gluon czerwonoantyniebieski kwark czerwony antykwark antyniebieski gluonu z kwarkami gluon zwykle oznaczamy linią typu sprężynka - tu 'śledzimy' kolor kolorowe linie ciągłe - przepływ ładunku kolorowego (zachowanie koloru) czarne strzałki kierunek pędów cząstek (zachowanie pędu)

5 Oddziaływania kolorowe Przykład elementarnego aktu oddziaływania gluonów ze sobą gluon czerwonoantyzielony ggg gluon czerwonoantyniebieski gluon zielono antyniebieski kolorowe linie ciągłe - przepływ ładunku kolorowego (zachowanie koloru) czarne strzałki kierunek pędów cząstek (zachowanie pędu) gdy suma po kolorach istnieją również sprzężenia gggg

6 Biegnąca stała sprzężenia α Oddziaływanie e-m pomiar stałej α w zderzeniu dwóch elektronów e - e - e - e - α e 2 e ładunek el. γ = czas Prawdopodobieństwo tego procesu proporcjonalne do α (1 + poprawki(p)) = α(p). Pętla kwarkowa α zmienia się z pędem ('biegnie'); wzrasta dla większych pędów fotonu, czyli większych energii zderzenia

7 Biegnąca stała sprzężenia α s Oddziaływanie kolorowe pomiar stałej w zderzeniu dwóch kwarków (przy zderzeniu dwóch hadronów) α s ~ g 2 g czas Pętla kwarkowa - efekt podobny jak dla oddziaływań e-m (powoduje wzrost stałej α s ). Tu dodatkowo pętla gluonowa, która ma przeciwny znak i α maleje ze wzrostem pędu

8 Biegnąca stała sprzężenia α s (dane z roku 2008) punkty - wynik pomiaru pionowe kreski - bład pomiaru więzienie dla kwarków asymptotyczne swoboda skala typu pęd (energia)

9 Biegnące stałe sprzężenia - pytanie o unifikacje Stałe sprzężenia zmieniają się wraz z skalą energii (pędu) jako efekt poprawek kwantowych Struktura kwantowa danego oddziaływania decyduje o tym czy stała sprzężenia rośnie czy maleje ze wzrostem energii (kluczowy fakt czy nośniki sił są naładowane, czyli czy same ze sobą oddziałują, np. foton neutralny a gluony naładowane ) Jeśli jedne stałe sprzężenia rosną a inne maleją to dla pewnych energii mają te same (lub zbliżone) wartości Pojawia się pytanie o wspólny opis takich oddziaływań

10 D. Gross, Photon 2005

11 Oddziaływania słabe Model Fermiego (1934) Dla rozpadu beta neutronu Efektywna siła oddziaływania G_F stała Fermiego - wyznaczona z danych wg. wykładów F. Close w CERN

12 n p Teraz przyglądamy się tej czarnej skrzynce z dzisiejszą zdolnością rozdzielczą i widzimy wymianę bozonu W zachowanie ładunku el. n pęd antyneutrina ν e d u -1/3 +2/3 e- p Teoria : musi istnieć neutralny partner W+/- Z odkryty W - e- pęd antyneutrina ν e

13 Historia 1896 Maxwell połączył elektryczność i magnetyzm (oddziaływania elektromagnetyczne) pierwsza unifikacja sił 1970 Glashow, Weinberg i Salam propozycja wspólnego opisu oddziaływań słabych i elektromagnetycznych (częściowa unifikacja) oddziaływania elektrosłabe (electro-weak EW). Przewidzieli istnienie oprócz W ± również Z (inne ozn. Z 0 ) Zderzenia protonów z antyprotonami w CERN (doświadczenie UA1 i UA2) - w zderzeniach kwarków i antykwarków powstawały W ± również Z Rubbia i van der Meer (utrzymywanie wiazki antyprotonów w akceleratorze) nagroda Nobla 1984

14 LEP Z LEP (CERN) zderzenia elektronów e- z pozytonami e+ W latach energia zderzenia dobrana tak, aby bozon Z produkował się Z rozpada się demokratycznie na rezonansowo: E + + E - = M Z = 91 GeV 1/czas życia ~ liczba dziur = liczba różnych typów (kanałów) rozpadów 4 doświadczenia 20 mln Z

15 Czas życia bozonu Z prawdopodobieństwo produkcji Z Zasada nieoznaczoności Heisenberga (Δ oznacza niepewność, rozmycie pomiaru danej wielkości): ΔE Δ t = GeV/sec. Jeżeli Δt = czas życia cząstki rozpadającej się to rozmycie w energii spoczynkowej (masie) wynosi ΔE = GeV/sec/Δ t Dla bozonu Z szerokość połówkowa Γ = ΔE (bo w połowie wysokości piku ) wynosi Γ = ΔE = 2.5 GeV stąd czas życia Z Δ t ~ sec

16 Liczba przypadków w zderzeniach e+e- Energia zderzenia (GeV) => masa cząstki

17 Z pomiaru szerokości połówkowej można sprawdzić ile jest lekkich neutrin(lekkich tzn. takich na które może się rozpaść bozon Z) Na osi pionowej prawdopodobieństwo produkcji bozonów Z rozpadających się na znane cząstki(hadrony) porównano z przewidywaniami dla tej wielkości, jeśli możliwe są rozpady na 2, 3 lub 4 pary ν ν Zgodność dla Ν ν = 3!

18 Wymiana bozonu Z i fotonu porównanie w procesie produkcji pary kwark-antykwark w zderzeniu (anihilacji) e+ e- Reguła Feynmana (obliczanie prawdopodobieństwa procesu) Jeżeli energię E przenosi wirtualna cząstka, wirtualna w tym sensie, że w procesie pojawia sie tylko,między elementarnymi aktami oddziaływania czynnik 1/(E^2+M^2) M- masa cząstki tu dla bozonu Z lub

19 Reguła Feynmana Jeżeli energię E przenosi wirtualna cząstka (foton; Z) to czynnik 1/(E^2+M^2) Dla E >> M to w przybliżeniu czynnik 1/E^2 jak dla fotonu

20 Feynman Reguła Feynmana rules: If Jeżeli energy energię E flows E through przenosi the wirtualna transmitted virtual particle cząstka (photon; (foton; Z) it to costs czynnik 1/(E^2+M^2) 1/(E^2+M^2) Dla If E E >> >> M to the w cost przybliżeniu is 1/E^2.like czynnik the 1/E^2 jak case of the dla photon fotonu Dla E << M to tylko 1/M^2

21 Model Fermiego Feynman Reguła Feynmana rules: If Jeżeli energy energię E flows E through przenosi the wirtualna transmitted virtual particle cząstka (photon; (foton; Z) it to costs czynnik 1/(E^2+M^2) 1/(E^2+M^2) If Dla E << E << M the M cost to tylko is 1/M^2

22 Czy słaba siła bo sprzężenie małe, czy dlatego, że masa W duża?? Odpowiedź = duża masa W Model Weinberga-Salama Masa bozonu W+/- = 80 GeV Masa bozonu Z 91 GeV jedyne masywne nośniki fundamentalne Oddziaływania słabe i e-m podobna siła oddziaływania dla dużych energii ~ 1 TeV Opis teoretyczny wspólny oddz. elektrosłabe

23 UNIFIKACJA

24 Z wykładu F. Close'a (CERN)

25

26 WEAK STRONG

27 WEAK STRONG dlatego Słońce świeci od 5 Miliardów lat i rozwinęło się życie wypromieniowana energia

28 Słabe The weak oddziaływania force is feeble słabe in w the Słońcu Sun..ponieważ 10,000,000K ~ 1 kev << 80 GeV to dlatego Słońce tak długo aktywne że mogliśmy powstać i prowadzić te rozmowę We exist because M(W) is not zero Mass matters

29 Na jakie kwarki rozpada się gluon zielono-antyczerwony? W zderzenie kwarku niebieskiego i antykwarku antyczerwonego produkowany jest gluon o jakim kolorze? Pytania do wykładu 6 Kwark niebieski promieniuje gluon niebiesko-antyzielony w elementarnych procesie q g q i zmienia kolor. Na jaki? Wypisz wszystkie możliwe kolory dwóch gluonów, które w procesie gg g produkują gluon czerwono-antyzielony. Co powoduje biegniecie stałych sprzężenia? Dlaczego stała struktury subtelnej nie maleje a stała sprzężenia dla sił kolorowych maleje ze wzrostem energii? Ile wynosi stała Fermiego? Czy stała struktury subtelnej jest wielkością o wymiarze energii? odwrotności energii? Kiedy powstała teoria opisująca pierwszą unifkację sił? Kiedy odkryto bozon Z? Ile wynosi jego masa i szerokość połówkowa? Skąd wiemy, że są tylko 3 pokolenia neutrin? Czy oddziaływania słabe są słabe bo masa W jest duża?