Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników. Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW

Transkrypt

1 Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 3 Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW 15.III.2010 Masy, czasy życia cząstek elementarnych Kwarki: zapach i kolor Prawa zachowania i liczby kwantowe: barionowa i leptonowe Spin - historia odkrycia Fermiony i bozony Oddziaływanie słabe i rodziny cząstek fundamentalnych

2 Odkrycia cząstek elementarnych 'potop' w latach XX w Foton γ Neutrino ν

3 Ogólne własności cząstek elementarnych

4 Masy cząstek elementarnych E=mc2, jednostka masy = ev/ c2, zwykle pomijamy stały czynnik c2 Neutrino 0? Elektron 0.5 MeV Pion (zbudowany z kwarków i antykwarków u i d) 140 MeV Proton, neutron - 1 GeV Istnieją cząstki masywniejsze niż proton razy Pochodzenie mas cząstek nadal zagadką. Czy masa cząstki = suma mas składników? Bywa, ale np. tak nie jest dla nukleonów, pionu..

5 Rozpady cząstek elementarnej Rozpad cząstki to swobodne przejście do innego stanu (to nie jest rozpad na składniki cząstki złożonej, ale przeorganizowanie składu). Np. rozpad neutronu czyli rozpad β: neutron (ddu) proton (uud) elektron i 'coś' (czas życia swobodnego neutronu 886 s = 14,8 min) 1914 J. Chadwick: w rozpadzie β energia elektronu zmienna, więc to nie może być rozpad na dwie cząstki (z prawa zachowania energii i pędu) N. Bohr może energia się nie zachowuje? W. Pauli 1931(..bez wiary) - może 'coś' bez masy i ładunku E. Fermi nazwa neutrino (włoski: neutralne maleństwo)

6 Czasy życia cząstek elementarnych Czas życia układu ( w przybliżeniu) - czas po którym połowa układów danego typu przestaje istnieć Czasy życia cząstek elementarnych (ozn.τ) - cząstki trwałe: dla elektronu> lat i protonu> 1030 lat -cząstki rozpadające się b. szybko ~10-24 s -cząstki rozpadające się powoli: s (np. mion s, piony naładowane s) Prawdopodobieństwo rozpadu małe, gdy czas życia długi i odwrotnie

7 Produkcja cząstek elementarnych W zderzeniach cząstek danego typu może nastąpić produkcja dwóch, trzech,..n cząstek - zawsze w zgodzie z zasadą zachowania energii i pędu Energia zderzenia może się zamienić całkowicie na energię spoczynkową jednej nowej cząstki, zgodnie z E=mc2, produkcja rezonansowa : tak odkryto wiele cząstek

8 Liczba przypadków w zderzeniach e+e- Rezonans: energia zderzenia (GeV) = masa cząstki szerokość linii rezonansowej Γ ~ 1/ τ

9 Zapachy

10 Zwykła materia i zwykłe kwarki from Close

11 Różnica mas kwarku u i d Te kwarki tworzą proton (uud) i neutron (ddu) Masy p i n: mp=938.3 MeV, mn=939.5 MeV, m=1.3 MeV różnica mas d i u Masa kwarków u i d kilka MeV ( inna nazwa lekkie kwarki) Rozpad neutronu =rozpad kwarku d na kwark u (+ elektron + antyneutrino elektronowe) Kwark d ma większą masę i rozpada się na cząstkę o mniejszej masie Ale co by było gdyby odwrotnie md< mu?

12 Proton jest trwały, a neutron nie, i dlatego Słońce świeci (rozpad neutronu) Woda istnieje (proton = jądro wodoru) Rozpad neutronu n p e νe (gdyby kwark u masywniejszy niż d) Ale dlaczego proton się nie rozpada na inne cząstki? Czy to naruszałoby jakąś zasadę? Wrócimy do tego.

13 Zwykłe kwarki u (up) i d (down) Najbardziej rozpowszechnione kwarki w najbardziej rozpowszechnionych cząstkach elementarnych p i n H atom (not to scale!) a miracle of neutrality electron balances uud from Close hint of unification

14 Cząstki dziwne Cząstki dziwne odkryto w promieniowaniu kosmicznym ~ 1950 r potem w laboratoriach

15 Dziwne też to, że produkują się tylko parami! Aby opisać wprowadzono nową liczbę kwantową: dziwność S

16 Multiplety cząstek Mu na osiach wartości dwóch liczb kwantowych: izospinu I (związanego z kwarkami u i d) oraz dziwności S

17 Dziwność Cząstki dziwne mają cechę S (dziwność różną od zera); wartości 'obserwowane' S: 1, 2, 3.. (i ujemne) Nukleony= proton i neutron S=0 Piony S=0 Zakładamy, że: dziwność dla układu cząstek sumuje się (addytywność) i istnieją procesy w których jest ona zachowana: S_początkowa=S_końcowa. Na poziomie fundamentalnym: kwark s nośnik dziwności ( przyjęto dla kwarku s wartość S = -1) Najlżejsza cząstka elementarna zbudowane z jednego kwarku dziwnego to kaon K (masa 500 MeV): K+=u s, K- = u s, K0=d s Cząstka Λ(1116 MeV) = uds. Masa kwarku s ~ 150 MeV.

18 Inne (ciężkie) zapachy Do opisu innych zaskakujących zjawisk okazało się potrzebne wprowadzenie innych zapachów (addytywnych liczb kwantowych): powab (czarm) C kwark c piękno (beauty, bottom) B* kwark b prawda (true, szczytowość, top) T* kwark t Np. cząstka J/ψ o masie 3 GeV. W 1974 odkryto b. wąski rezonans ( slajd 7). Dlaczego taki wąski (mała szansa rozpadu)?? Nie ma na co się rozpaść? Może zawiera nowy typ kwarków? Dziś wiemy J/ψ = c c; rozpad na 'zwykłe' cząstki trudny-przez 3 gluony Dla J/ψ C =0, ale są cząstki z C=±1 np. D+= c d. Masa kwarku c 1.3 GeV. Podobnie cząstka ϓ (9.5 GeV) ( slajd 7) stan związany b b (B*=0). (odkrycie 1994r). Masa kwarku b wynosi ~ 4.5 GeV. Są cząstki z B* 0. Masa kwarku t ~ 170 GeV t nie tworzy układów związanych.

19 Nośnikami liczb kwantowych zapachowych są kwarki

20 Prawa zachowania i liczby kwantowe

21 Zasada zachowania energii W każdej reakcji (zderzeniu, rozpadzie): energia końcowa = energia początkowa Każda cząstka o masie m ma związana z nią energię E=mc2 Więc rozpad możliwy na cząstki o mniejszej masie, a bardziej masywne cząstki mają więcej szans na rozpad Zasada zachowania energii ściśle przestrzegana przez Naturę Przykład rozpadu neutronu: bilans masy ( [ ] = 0.80) MeV/c2 energia kinetyczna produktów rozpadu Oczywiście zachowują się też pęd i moment pędu.

22 Zachowanie ładunku elektrycznego Zasada zachowania ładunku el. - ściśle przestrzegana w przyrodzie dlatego np. proton nie mogłby się rozpaść na elektron (plus antyneutrino - el. neutralne) Ładunek cząstek elementarnych tylko w określonych porcjach skwantowanie ładunku Niech ładunek el. elektronu = -1, wtedy ładunek el. protonu +1, ale kwarku u wynosi 2/3, zaś d -1/3! Obserwowane cząstki elementarne mają ładunek el. będący wielokrotnością ładunku el. elektronu czyli n=0,1,2 lub -1,-2, (n=0 cząstka neutralna lub obojętna)

23 Liczba ładunkowa (charge number) Zasada zachowania ładunku, inaczej liczby ładunkowej końcowa l. ład.= początkowa l. ład. (Liczba ładunkowa układu czastek = suma l. ładunkowych cząstek addytywna l. kwantowa) Kwantowa liczba ładunkowa (charge quantum number) - pierwszy przykład liczby kwantowej

24 Liczba kwantowa B (barionowa) Rozpad protonu nie jest zabroniony przez zasadę zachowania ładunku el. zasada zachowania energii też pozwala np. p e + neutrino Więc co zabrania protonowi się rozpaść? Stückelberg (1938) nowy pomysł: inna liczba kwantowa ( i jej zachowanie) Doświadczalne potwierdzenie tej hipotezytesty np. dlaczego neutron nie rozpada się na:e + e? Nowa (addytywna) liczba kwantowa: liczba barionowa Proton=+1,neutron=+1 ( p, n = -1); bariony B 0 Liczba B zachowana w Naturze (baryon, z greckiego ciężki)

25 Liczby kwantowe kwarków cd Liczba barionowa B dla p i n = +1 Stąd kwarki mają liczbę barionową = 1/3 Ładunek elektryczny kwarków q = 2/3 lub -1/3 antykwarków q = -2/3 lub 1/3 u = 2/3, d= -1/3 ład. el. p =+1, n=0 Liczby kwantowe zapachowe

26 Hadrony stany związane kwarków Bariony (B 0) 3 kwarki Hadrony Hadron- gruby, mocny Mezony (B=0) kwark-antykwark mezon - pośredni

27 Kolor nowa liczba kwantowa Kolor ma zupełnie inny charakter niż zapach: zapach (u,d,s...)-klasyfikacja fizycznych cząstek kolor - dynamika oddziaływań między kwarkami ( chromodynamika kwantowa) wszystkie kwarki są kolorowe gluony też mają kolor ale podwójny kolor i antykolor (np. gluon czerwono- antyniebieski) foton czuje ładunek el. ( elektrodynamika kwantowa), gluon ładunek kolorowy (oddziałuje z.., sprzęga się do..) makroskopowo ładunek kolorowy nie występuje, kwarki nie występują pojedynczo, są uwięzione w hadronach

28 Uwięzienie koloru?! Kwarki i gluony są kolorowe, ale są na zawsze uwięzione w cząstkach białych (niekolorowych) typu (qqq) lub (q q) Uwięzienie to zupełnie nowe zjawisko czy to oznacza, że to koniec drabiny poziomów: cząsteczka atom jądro nukleon kwark? Być może...

29 Liczba elektronowa Le W wielu procesach elektronowi towarzyszy cząstka neutrino (lub anty-neutrino) np. w rozpadzie neutronu Liczba elektronowa (addytywna): dla elektronu e=+1, dla neutrina elektronowego νe=+1 Dla ich antycząstek = -1, inne cząstki =0 Więc jeśli l. elektronowa ma być zachowana, to rozpad neutronu musi być taki: n p e νe Proces skrzyżowany (crossing) : νe n p e też istnieje. Obserwacja procesu νe p n e uważa się za odkrycie νe- Covan, Reines 1956 (Nobel 1995) Przedtem neutrino - tylko hipoteza Pauliego z 1930r (zachowanie energii-pędu w rozpadzie neutronu)

30 Liczba mionowa, liczba taonowa Masywniejsze kopie elektronu i νe to: muon (1937r - Who ordered that? I. Rabi ), taon (odkrycie 1975r M. Perl, Nobel 1995) i ich neutrina (νμ M. Schwartz, L. Lederman i J. Steinberger 1962r, Nobel 1988; ντ odkrycie 2000r ) LEPTONY: (lepton - lekki ) elektron, mion, taon i ich neutrina Analogicznie do Le wprowadzamy liczbę mionową Lμ i liczbę taonową Lτ

31 Liczba leptonowa L Liczba leptonowa = suma indywidualnych liczb leptonowych L = Le + L μ + L τ

32 Masy kwarków i leptonów Masy: u c 3 MeV 1.25 GeV d s 7 MeV 150 MeV * t 172 GeV b 4.5 GeV νe νµ < MeV <0.27 MeV e (elektron) µ (mion) MeV MeV ντ <31 MeV τ (taon) 1.78 GeV

33 Model Standardowy Kwarki (wszystkie) : l. barionowa B=1/3 Leptony (wszystkie) : l. leptonowa L =1 Antykwarki B= -1/3 antyleptony L= - 1 Leptony: indywidualne liczby kw. elektronowa, muonowa i taonowa

34 Spin - jeszcze jedna liczba kwantowa Spin własny moment pędu (spin lub kręt) like spinning tennis ball (formalnie opis jak dla orbitalnego momentu pędu L) Te 'obroty' mogą być tylko pewnego typu są skwantowane. Każda cząstka elementarna ma określoną wartość spinu ( s spinowa l. kwantowa) Kierunek 'osi obrotu' może się zmienić stany o różnych rzutach wektora spinu na wybraną oś (liczba różnych stanów spinowych wynosi 2s+1) Przyjmując pewną jednostkę spinu (ħ=h/2π) - spiny cząstek elementarnych mogą przyjmować jedynie wartości będące wielo krotnością ½ (s = 0,½,1,3/2 ). Efekt czysto kwantowy co wiruje w cząstce fund.?

35 Struktura subtelna linii wodoru (i nie tylko) A. Sommerfeld w 1916 opisał ruch elektronu w atomie wodoru z uwzględnieniem szczególnej teorii względności (wprowadził stałą struktury subtelnej - oddz. elektronu z fotonem). Obliczył moment magnetyczny atomów np. wodoru i srebra (ruch elektronu po orbicie mom. magnetyczny dla atomu w polu magn.) i przewidział tylko dwa możliwe ustawienie wektora mom. magnetycznego atomu: Doświadczenie Sterna-Gerlacha 1922 dla atomu srebra potwierdziło przewidywania Sommerfelda. W atomie srebra wszystkie elektrony, z wyjatkiem jednego, tworzą zamknięte powłoki. Więc o efekcie decyduje ten jeden...

36 Odkrycie spinu elektronu: Z Phys. Rev. Letters (PRL) (PRL to pismo, które utworzył Goudsmit w roku 1958): 'Goudsmit - while still a graduate student, he and his fellow student George E. Uhlenbeck hypothesized that the electron possessed angular momentum that is, spin in addition to mass and charge. Their motivation was to explain the mystery of doublet and higher order spectral line splitting. Their insight furnished a missing link leading to the final triumph of the then-struggling birth of quantum mechanics.'

37 Historia odkrycia spinu - A. H. Compton: postulat 'quantized electron rotation' ( ) - R. Kronig (jako doktorant) zaproponował spin kilka miesięcy przed Goudsmitem i Uhlenbeckiem, ale został zniechęcony przez Pauliego przed publikacją ('it is indeed very clever but of course has nothing to do with reality') - W 1925 Goudsmit i Uhlenbeck hipoteza spinu (Pauliego uważa, że to bzdury; jednak ich opiekun naukowy Ehrenfest wysyła ich pracę do publikacji i komentuje, że są tak młodzi, że mogą sobie pozwolić na nierozsądną pracę) - W 1926 poprawne relatywistyczne obliczenia L.H.Thomasa i Pauli uwierzył w spin.. Dziś rozwija się spinotronika (w kierunku kwantowego komputera)

38

39 Fermiony i bozony Cząstki o spinie połówkowym fermiony - fermiony podlegają statystyce Fermiego-Diraca - wykluczenie (zakaz) Pauliego (1925): dwa fermiony nie mogą znajdować się w tym samym stanie kwantowym (to tłumaczy budowę atomów ile elektronów może się zmieścić, czyli ile różnych stanów elektronów, na kolejnych powłokach) Cząstki o spinie całkowitym bozony - statystyka Bosego-Einsteina - im więcej bozonów tym lepiej (laser, kondensaty )

40 Spin cząstek fundamentalnych Kwarki i leptony (fermiony) spin ½ Nośniki oddziaływań (bozony) : foton, gluony, bozony W i Z spin 1 Cząstka Higgsa? spin 0?

41 Cząstki o spinie 1 = bozony wektorowe Nazwa symbol Bozon Bozon Bozon Foton Gluony(8) ład. el. masa W GeV W GeV Z GeV γ 0 0 g 0 0 (inna nazwa - bozony pośredniczące) W± są wzajemnie dla siebie antycząstkami γ i Z są własnymi antycząstkami gluona b antycząstką do gluonu ab (a, b kolory) Hipotetyczny grawiton spin 2, ład. el. 0, masa 0 (własna antycząstka)

42 Lewe i prawe cząstki o spinie 1/2 Lewa (lewo-ręczna) cząstka (left-handed) wektor pędu kierunek obrotu reguła korkociągu Lewa?Ale to jest względne (tak, to jest wynik teorii względności!) bo jak minę taką cząstkę (wektor pędu zmienia się na przeciwny) to stanie się ona prawą (prawo-ręczną) cząstką. Więc jak jest lewa cząstka to i prawa cząstka musi istnieć dwa stany cząstki masywnej o spinie 1/2. Gdy masa cząstki jest równa zero ten argument nie działa! Bezmasowe neutrina - lewe, a antyneutrina - prawe

43 Oddziaływanie słabe Cząstki (p i n) oraz (neutrino elektronowe i elektron) często występują w parach (dublety) np. w rozpadzie neutronu Odkrycie, Becquerel 1896 radioaktywność β p n e- νe Odpowiedzialne siły są zwane oddziaływaniami słabymi. Fermi w 1934 teoria (sprzężenie punktowe,4-fermionowe)

44 Oddziaływania słabe fundamentalne u Rozpad β e- d W νe d u W- i W- νe e- opisuje stała sprzężenia g (g - ładunek słaby ) αw= g2/4 π =1/32 większa niż odpowiednie stała sprzężenia dla oddz. elektromagnetycznych e (e-ładunek el.) αem= e2/4 π =1/137 (stała struktury subtelnej). A jednak to słabe jest słabsze, bo wymiana masywnej cząstki W kosztuje Umowa dotycząca diagramu: strzałki na liniach zgodnie z pędem dla fermionów, a dla antyfermionów strzałka przeciwna do pędu;

45 Pierwsza rodzina = dwa lekkie dublety fermionów o spinie 1/2 Kwarki o ład. el. 2/3-1/3 Leptony 0-1 u (3 kolory) d (3 kolory) νe e Oczywiście istnieje też pierwsza antyrodzina np. dublet antyleptonowy: ład. el. +1 e 0 νe Uwaga: W Modelu Standardowym neutrina bezmasowe, ale ostatnie (lata ) doświadczenia wskazują, że neutrina mają niezerową masę

46 3 rodziny (inaczej pokolenia, generacje) To jest tablica cząstek fundamentalnych. Rodziny (dublety fermionów o spinie 1/2) są uporządkowane ze względu na masy: I rodzina - najmniejsze masy, III - największe (Tablica - jak tablica atomów Mendelejewa, ale tu bez głębszej zasady i regularności) Skąd te masy? Nie wiemy mamy tylko hipotezy np. mechanizm Brouta-Englerta-Higgsa Czy są dalsze generacje? Doświadczenie: raczej nie, o ile neutrina lekkie. Teoria:?