czastki elementarne Czastki elementarne

Transkrypt

1 czastki elementarne "zwykła" materia, w warunkach które znamy na Ziemi, które panuja w ekstremalnych warunkach na Słońcu: protony, neutrony, elektrony. mówiliśmy również o neutrinach - czastki, które nie maja oczywistego wpływu na skład i oddziaływania materii, odkryte w rozpadach β czastek zazwyczaj krótkożyciowych jest mnóstwo elementarne: znaczy niezlożone, niepodzielne, reszta czastek jest złożona

2 antyczastki 1928 równanie Diraca - równanie falowe dla relatywistycznego elektronu (wbudowany moment pędu /2, moment magnetyczny µ B = e 2m, E = ± m 2 c 4 + p 2 c 2 ) Dirac: stany o ujemnej energii wypełnione (zakaz Pauliego) wzbudzenie hν > 2mc 2 - generacja pary czastka-antycz astka (elektron-pozyton) odkrycie pozytonu (w promieniowaniu kosmicznym) antyczaski: masy identyczne, ładunki przeciwne

3 bozony pośredniczace 1935 Hideki Yukawa: za oddziaływania silne odpowiada masywna czastka nukleony oddziaływuja przez wymianę tej czastki poszukiwana hipotetyczna czastka zidentyfikowana jako pion π +, π, π 0 obecnie wiemy, że piony sa jako mezonami (bozony, pary kwark-antykwark) wg teorii nukleony emituja i chłona piony, możliwe jest wymiana pionów między rożnymi nukleonami m π = 220m e piony uczestniczace w oddziaływaniu sa wirtualne, nie sa oberwowane. W procesach "wirtualnych" zasady zachowania energii jest łamana przez chwilę. proces w ramach zasady nieoznaczoności E t. t r c, E mπc2, m π rc dla m π zasięg r = 1.7 fm. nośnikiem oddziaływania elektromagnetycznego jest foton, bezmasowy stad nieskończony zasięg

4 oddziaływania elementarne

5 bozony pośredniczace oddziaływania przenoszone przez wirtualna wymianę czastkek - bozonami masa bozonu decyduje o zasięgu oddziaływania (przez zasadę nieoznaczoności) najcięższe: bozony pośredniczace (W - spin 1, ładunek ±e odpowiedzialny za rozpady beta), masa 85m p, oraz Z - spin 1, neutralny 97m p, rozpady obydwu s). Z - rozpraszanie, w tym neutrin przy wysokich energiach

6 oddziaływania elementarne unifikacja oddziaływań

7 leptony materia zbudowana z czastek elementarnych - fermionów o spinie 1/2: kwarki i leptony. leptony nie oddziałuja silnie oddziaływania: elektromagnetyczne i słabe, masa neutrina - nie większa niż kilka ev /c 2

8 leptony mion µ z rozpadu pionów naładowanych π + µ + + ν µ, π µ + ν µ masa 207m e, po czasie życia rzędu µs: µ + e + + ν e + ν µ, µ e + ν µ + ν e τ, 1975 masa GeV/c 2, neutrino tauowe odkryte w 2000 r, czas życia s

9 akceleratory Akcelerator liniowy w generatorze Van der Graffa (1931) cyklotron (1932)

10 energia w środku masy dla A + B C + D energia reakcji: Q = (m A + m B m C m D )c 2 jeśli Q < 0 - próg energii na reakcję, która zachodzi o ile Q + K sm > 0 wtedy próg reakcji K sm Q < 0 (endoenergetyczne), Q > 0 egzoenergetyczne Dostepna energia w układzie SM decyduje o przebiegu reakcji

11 akceleratory orbita cyklotronowa: qvb = mv 2 /R klasycznie: f = ω 2π = v 2πR = mv 2πmR = qb 2πm częstość cyklotronowa nie zależy od prędkości poprawka relatywistyczna: f (v) = qb 1 v 2πm 2 /c 2 synchrotrony: B zmieniane aby utrzymać stałe R, częstość f (v) ze względu na poprawki na częstości i zmiany B konieczność pracy w "paczkach" czastek, nie w strumieniu ciagłym straty energii przez promieniowanie hamowania na zakrzywieniu toru (promieniowanie synchrotronowe, używane jako źródło światła do badań ciała stałego, biologii etc., Solaris na Ruczaju) minimalizacja: duże promienie (np. 4.3 km) CERN

12 akceleratory akceleratory liniowe: bez promieniowania synchrotronowego SLAC, do 50 GeV, 3km długości, zmiana polaryzacji gdy paczka przechodzi między elektrodami obecnie: używany jako wstępny do źródła światła (synchrotronu)

13 akceleratory akceleratory z celem nieruchomym: pęd CM niezerowy, nie cała energia kinetyczna dostępna dla reakcji alternatywa: collider - energia w CM równa 2 razy energii kinetycznej czastek SPS Super Proton Synchrotron CERN, 270 GeV

14 akceleratory Large Hadron Collider 14TeV w środku masy

15 hadrony S to dziwność, rozpady dozwolone ze zmiana dziwności o 1 czastki dziwne: o niezerowym S. bariony dziwne hiperony

16 Symetrie supermultiplet: układ czastek o tym samym spinie, różniace się ładunkiem i dziwnościa po lewej supermultiplet barionów: u góry nukleony na dole hiperony (dziwne bariony)

17 struktura wewnętrzna protonu wyniki rozpraszania elektronów na protonach w Desy, 1.23 GeV - pierwszy stan wzbudzony protonu (struktura wewnętrzna)

18 kwarki c powabny, t, b - górny dolny, ewentualnie prawdziwy i piękny.

19 kwarki magneton Bohra (elektronowy), µ e = e, magneton jadrowy µ 2m e N = e, 2m p podobnie dla kwarków µ q = eq 2m q µ p = 4/3µ u 1/3µ d = 2.8µ N µ n = 4/3µ d 1/3µ u = 1.9µ N (zgodnie na poziomie kilku procent z doświadczeniem)

20 kwarki

21 kwarki supermultiplet i struktura kwarkowa u, d, s Λ 0 oraz Σ 0 to stan podstawowy i wzbudzony tej samej czastki złożonej.

22 kwarki niektóre hadrony : 3 identyczne kwarki - wprowadzenie koloru jako liczby kwantowej kwark ma kolor czastki złożone istniejace swobodnie sa białe (RGB), mezony kolor-antykolor wymiana kolorów gluony (8)

23 kwarki niektóre hadrony : 3 identyczne kwarki - wprowadzenie koloru jako liczby kwantowej kwark ma kolor kolory, hadrony sa białe RGB, mezony kolor-antykolor

24 kwarki chromodynamika kwantowa: teoria zachowania kwarków uwięzienie kwantów: rozdzielenie kwarków wymaga energii, która gdy włożona generuje dodatkowe kwarki w przerwie nie da się rozdzielić: jak biegunów magnesu struktura wewnętrzna hadronów: widoczna w danych rozpraszania w zakresie wysokiej energii

25 Model Standardowy oddziaływania silne między kwarkami: chromodynamika kwantowa wraz z teoria oddziaływań elektrosłabych - Model Standardowy (łacznie ponad 20 nagród Nobla) 6 kwarków, 6 leptonów (oscylacje neutron sugeruja, że nie ma czwartego pokolenia) proton znacznie cięższy niż masa spoczynkowa uud parametry swobodne modelu - masy, do wyznaczenia doświadczalnie pokolenia różnia się tylko masa bozon Higgsa: pole Higgsa, oddziaływujace z czastkami i nadajacymi im masę, im silniejsze oddziaływanie tym cięższa czastka. Bozon Higgsa znaleziony w lipcu 2012, 125 GeV/c 2 W ± - rozpady β, Z 0 - rozpraszanie różnice w mas pokoleń: spontaniczne łamanie symetrii przez pole Higgsa. model standardowy: 5% masy Wszechświata

26 odkrycie Higgs 2012 zderzenia p-p, 7 TeV w środku masy, w sygnał na poziomie trzech odchyleń standardowych, Phys.Lett. B716 (2012) około siedmiu odchyleń standardowych L. Adamczyk, T. Bołd, W. Dabrowski, M. Dwużnik, I. Grabowska-Bołd, D. Kisielewska, S. Koperny, T. Kowalski, B. Mindur, M. Przybycień,

27 Symetrie tw. Emmy Noether: każdej zasadzie zachowania towarzyszy symetria jednorodność przestrzeni (gdy V f (x)), niezmienniczość względem dowolnej translacji, zachowanie pędu jednorodność czasu (gdy V f (t)), zachowanie energii izotropowość przestrzeni (gdy V = f ( r )) zachowanie momentu pędu

28 Symetrie P - parzystość (r r) łamana w oddziaływaniach słabych obserwowane neutrina sa tylko prawoskrętne a antyneutrina lewoskrętne neutrina o przeciwnej skrętności - nie oddziaływuja słabo, albo nie istnieja spin neutrina przeciwny do kierunku ruchu spin antyneutrina zgodny z kierunkiem ruchu - antyneutrino jest prawoskrętne (korkociag)

29 Łamanie symetrii P w oddziaływaniach słabych łamanie parzystości w rozpadach naładowanych pionów π sytuacja B nie zachodzi nigdy, wydaje sie, że nie ma antyneutrina lewoskrętnego tutaj: zachowana symetria CP (rozpad π + ) CP kolei łamana w rozpadach kaonów (najlższejsze mezony dziwne 1964) łamanie symetrii CP - hipotetyczna przyczyna istnienia materii (nadmiar kwarków nad antykwarkami stosunek do 10 9 w teorii Big Bang po 10 6 s ) CPT - nie znaleziono jej łamania