Oddziaływania fundamentalne

Transkrypt

1 Oddziaływania fundamentalne Silne: krótkozasięgowe (10-15 m). Siła rośnie ze wzrostem odległości. Znaczna siła oddziaływania. Elektromagnetyczne: nieskończony zasięg, siła maleje z kwadratem odległości. Znaczna siła oddziaływania. Słabe: krótkozasięgowe (10-18 m). Siła maleje ze wzrostem odległości. Średnia siła oddziaływania. Pole nie jest wiążące. Grawitacyjne: nieskończony zasięg, siła maleje z kwadratem odległości. Mała siła oddziaływania.

2 Nośniki oddziaływań Oddziaływania między fermionami (składnikami materii) następują przez wymianę bozonów (cząstek o spinie całkowitym) Elektromagnetyczne: foton Słabe: bozony W i Z Grawitacyjne: grawiton Silne: gluony i mezony

3 Nośniki oddziaływań

4 Zasięg oddziaływania Zasięg oddziaływań zależy od masy cząstek będących nośnikiem. Zgodnie z zasadą nieoznaczoności, czas życia jest ograniczony: E t mc t > 2 h Im cięższa cząstka wymiany, tym krótszy zasięg oddziaływania: 2 c t h 2mc Nośnikiem oddziaływań elekromagnetycznych i grawitacyjnych są cząstki nie posiadające masy spoczynkowej (foton i grawiton).

5 Cząstki wirtualne Zgodnie z zasadą nieoznaczoności, w próżni może pojawić się cząstka, która po krótkim czasie zniknie cząstka wirtualna E t mc t > 2 h 2 Mierzalny jest jedynie efekt oddziaływania np. zmiany pędu obiektów między którymi doszło do wymiany cząstki.

6 Oddziaływanie elektromagnetyczne

7 Oddziaływanie elektromagnetyczne F = Q Q πε r ε 0 = [C 2 N -1 m -2 = Fm -1 ]

8 Oddziaływanie silne Oddziaływania między kwarkami (wewnątrz hadronów) gluony. Cząstki bezmasowe o spinie = 1. Powodują zmianę koloru kwarków. Krótkozasięgowe ze względu na uwięzienie kwarków. Oddziaływania między nukleonami mezony. Oddziaływania proton-neutron spajają jądra atomowe.

9 Oddziaływanie silne

10 Oddziaływanie słabe Bozony cechowania W i Z są ciężkie (80.4 GeV/c 2 i 91.2 GeV/c 2 ) co ogranicza zasięg oddziaływań. Spin s = 1. Działa na lewoskrętne leptony i kwarki oraz na ich prawoskrętne antycząstki złamanie symetrii oddziaływań. Skrętność: rzut wektora spinu (wewnętrznego momentu pędu) na kierunek ruchu cząstki. h r r r r = J pˆ = L pˆ + S pˆ = S pˆ, pˆ = r p r p

11 Oddziaływanie słabe Bozony W + i W : emisja zmienia ładunek elektryczny cząstki emitującej i zmienia jej spin. Emisja lub absorpcja zmienia cechy kwarków np. dziwny (s) w górny (u). Bozon Z nie zmienia ładunku ani cech kwarków. Emisja lub absorpcja może zmieniać spin, moment pędu i energię cząstki.

12 Oddziaływanie słabe Izospin słaby (I. oddziaływania słabego) jest zachowany w przemianach z udziałem oddziaływania słabego. Cząstka powstająca w wyniku przemiany ma izospin przeciwny do cząstki z której powstała.

13 Oddziaływanie słabe Kwarki typu dolnego (ładunek -1/3e) mogą ulec przemianie w kwarki typu górnego (ładunek 2/3e) przez emisję bozonu W - lub absorpcję W + Kwarki typu górnego mogą ulec przemianie w kwarki typu dolnego przez emisję bozonu W + lub absorpcję W -

14 Oddziaływania elektrosłabe Dla bardzo małych odległości (10-18 m), siła oddziaływania elektromagnetycznego i słabego jest porównywalna. Dla większych odległości decyduje rodzaj nośników bozony cechowania są ciężkie i mają krótki czas życia, fotony nie posiadają masy. Na wczesnym etapie rozwoju wszechświata (energia termiczna około 100GeV) bozony cechowania i fotony reprezentowały ten sam typ oddziaływań. W przemianach zachowuje się tzw. hiperładunek słaby Hiperładunek słaby Y W = Q ładunek T 3 Izospin oddziaływania słabego

15 Oddziaływanie grawitacyjne Grawiton -cząstka oddziaływania grawitacyjnego nie została dotąd odkryta doświadczalnie. Pozbawiona masy, spin = 2, oddziałuje na wszystkie cząstki N m 2 kg 2 F = GM r 1 2 M Pomimo niewielkiej stałej oddziaływania, grawitacja wpływa na rozszerzanie się Wszechświata, była również znaczącą siłą na wczesnym etapie jego rozwoju. Ogólna teoria względności Einsteina: spadające swobodnie ciało porusza się wzdłuż prostej w zakrzywionej czasoprzestrzeni. Ciało na powierzchni Ziemi doznaje przyspieszenia wywołanego siłą reakcji podłoża. 2

16 Ogólna teoria względności Einstena Oddziaływania grawitacyjne powodują zakrzywienie czasoprzestrzeni, lub: Zakrzywienie czasoprzestrzeni jest widoczne jako oddziaływania grawitacyjne. Soczewkowanie grawitacyjne bieg światła w pobliżu masywnych obiektów jest zakrzywiany Dylatacja czasu zegar obserwatora znajdującego się bliżej masywnego ciała działa wolniej. Anomalie orbit planet orbita jako całość ulega obrotowi wokół środka masy.

17 Oddziaływanie grawitacyjne Pośrednim dowodem na istnienie grawitonów i fal grawitacyjnych mogą być zmiany okresu obiegu w układach gwiazd podwójnych - pulsarów. Zmiany wskazują na ucieczkę energii z układu. Zmiany okresu obiegu PSR B

18 Teoria wszystkiego unifikacja Obecnie opis zachowania cząstek wymaga albo stosowania mechaniki kwantowej, albo ogólnej teorii względności. Teoria wszystkiego ma pozwolić na jeden opis dla różnych zjawisk.

19 Teoria strun Struny: jednowymiarowe obiekty (zamknięte lub otwarte) o bardzo małych rozmiarach (10-35 m). Różne mody drgań strun odpowiadają różnym właściwościom cząstek, takich jak ładunek i masa. Przemiany odpowiadają łączeniu lub rozdzielaniu strun.

20 Bozon Higgsa Ładunek 0 Spin 0 Parzystość +1 Masa 126 GeV/c 2 Czas życia s Masa protonu: 938 MeV/c 2 Pole Higgsa wyjaśnia np. rezydualną masę bozonów cechowania w oddziaływaniu słabym. Masa jako przejaw energii potencjalnej, którą cząstki uzyskują poprzez sprzężenie z polem Higgsa. Uzyskana energia potencjalna odpowiada masie.