Oddziaływania grawitacyjne. Efekt Dopplera. Photon Collider. Efekt Comptona. Odkrycie fotonu. Wykład XIX: Fizyka I (B+C) Foton

Transkrypt

1 Wykład XIX: Odkrycie fotonu Efekt Comptona Photon Collider Efekt Dopplera Oddziaływania grawitacyjne Foton Fizyka I (B+C)

2 A.F.Żarnecki Wykład XIX Doświadczenia wskazały, że energia uwalnianych elektronów zależy wyłacznie od częstości światła (długości fali) i materiału katody. - praca wyjścia, minimalna energia potrzebna do uwolnienia elektronu z metalu. V A Energia foto-elektronów: FOTONY Zjawisko fotoelektryczne wyjaśnił Einstein (905) wprowadzajac kwanty światła Światło padajac na metalow a płytkę powoduje uwalnianie elektronów przepływ pr adu. ν Odkryte przypadkowo przez Hertza w 887 r. Opis falowy przewidywał, że pr ad zależy wyłacznie od natężenia światła, a nie zależy od częstości! Zjawisko fotoelektryczne Odkrycie fotonu

3 A.F.Żarnecki Wykład XIX W zjawisku fotoelektrycznym, foton zderza się z elektronem, (proces typu ), i przekazuje mu energię konieczn a do opuszczenia metalu. Im wyższa częstość (mniejsza długość fali) promieniowania, tym wyższa energia pojedyńczego fotonu wyraźniejsze efekty korpuskularne może zderzać się z innymi cz astkami, być pochłaniana lub rozpraszana cz astka o ustalonej energii i pędzie, ale zerowej masie podlega interferencji, dyfrakcji, załamaniu fala elektromagnetyczna, opisana równaniami Maxwella Maj a naturę korpuskularno-falow a: Fotony to kwanty promieniowania elektromagnetycznego. Przenosz a oddziaływania między cz astkami naładowanymi. Natura światła Odkrycie fotonu

4 A.F.Żarnecki Wykład XIX 3 oddaj ac im część swojej energii. γ γ e Zasady zachowania: Fotony promieniowania X rozpraszaja się na elektronach w atomie e h ν h ν Θ Opis tego zjawiska zaproponował w 93 roku A.H.Compton. m η W wyniku rozpraszania w materii, promieniowanie X stawało się mniej przenikliwe zmieniało długości fali E Relatywistyczne zderzenie dwóch ciał tak samo jak w przypadku cz astek Rozpraszanie fotonów Efekt Comptona

5 A.F.Żarnecki Wykład XIX Podnosz ac stronami do kwadratu i zestawiaj ac do masy elektronu: Przekształcaj ac otrzymujemy: Efekt Comptona

6 W granicy W granicy małych energii fotonu A.F.Żarnecki Wykład XIX 5 Foton zachowuje energię, ale zmienia się wektor pędu (kierunek!) pęd rozproszonego elektronu:. Odpowiada to klasycznemu zderzeniu pocisku,, z dużo cięższ a tarcz a, : energia elektronu: foton rozprasza się bez straty energii. Energia rozproszonego elektronu: Małe energie fotonów Efekt Comptona

7 A.F.Żarnecki Wykład XIX 6 γ γ e e elektronowi praktycznie cała swoja energię traktować jako cz astkę bezmasow a. foton przekazuje spoczywaj acemu pomin ać - elektron, tak jak foton, można Dla masę elektronu można W granicy dużych energii fotonu (przyjmujac, czyli ) Odpowiada to klasycznemy zderzeniu ciał o równych masach (zakładajac zderzenie centralne i elastyczne) Du że energie fotonów Efekt Comptona

8 tonów o energii A.F.Żarnecki Wykład XIX 7 To, że foton zawsze traci energię zwiazane jest jednak z wyborem układu odniesienia! (układ zwiazany z elektronem) Energia fotonu w układzie elektronu: Transformacja Lorenza do układu elektronu: ( ): e W rozpraszaniu na spoczywajacym elektronie najniższ a energię będzie miał foton rozproszony do tyłu elektronów o energii γ. na przeciwbieżnej wi azce Możemy jednak rozważyć rozpraszanie fo- Rozpraszanie do tyłu Rozpraszanie na wi azce elektronów Efekt Comptona

9 A.F.Żarnecki Wykład XIX 8 Wracajac do układu laboratoryjnego: (transformacja taka sama, bo pęd foton zmienił kierunek) e e γ γ elektron może przekazać fotonowi większość swojej energii. Wysoke energia wi azki, Przyjmijmy, że foton rozprasza się do tyłu ( ). Energia rozproszonego fotonu w układzie elektronu: Otrzymujemy: Rozpraszanie na wi azce elektronów Photon Collider

10 A.F.Żarnecki Wykład XIX 9 w projektach przyszłych akceleratorów liniowych. (do 00 GeV) i bardzo wysokiej intensywności, jest poważnie dyskutowan a opcja Możliwość uzyskiwania przeciwbieżnych wi azek fotonów o bardzo wysokich energiach Θγ [µrad] Θγ [µrad] E γ [GeV] E γ [GeV] 00 dn/dcosθ [0 ] CompAZ x =.5 Scattering on secondary e P e = 0.85 P L = eγγ eγ 00 P e = 0.85 P L = 0 P e = 0.85 P L = #events modified Compton simulation (V.T.) s ee /= 500 GeV Energia w funkcji k ata Intensywność wi azki Rozkład energii wi azkę fotonów o energiach sięgaj acych 00 GeV! na wi azce elektronów ( Rozpraszaj ac intensywn a wi azke światła laserowego ( - podczerwień) ) możemy otrzymać silnie skolimowan a Akcelerator fotonów Photon Collider

11 00 GeV A.F.Żarnecki Wykład XIX 0 Projekt NLC : 50 GeV

12 A.F.Żarnecki Wykład XIX Ale sprzężenie Higgsa jest proporcjonalne do masy! wkłady skończone nawet w granicy W innych procesach wkłady pętlowe szybko malej a ze wzrostem masy cz astek... czuły na WSZYSTKIE cz astki naładowane niezwykle czuły na now a fizykę Ponieważ foton nie sprzęga się bezpośrednio do Higgsa, tylko przez pętle, proces jest oddziaływanie elektromagnetyczne), ale nie tylko... W zderzeniach wszystkie cz astki naładowane ( czyste możemy produkować Wyj atkowa w zderzeniach jest możliwość rezonansowej produkcji bozonu Higgsa: Fizyka Photon Collider

13 A.F.Żarnecki Wykład XIX Mllqq [GeV] no Higgs mh =300 GeV # events Parameterization: 300 mh =300 GeV simulation NZK W corr (GeV) For comparison: LO Background 500 NZK. Jedyny kolajder, który może sięgn ać skali unifikacji Number of events/gev 000 cc (g) J z = cc (g) J z =0 bb (g) J z = Lγγ (W γγ >80GeV)= 8 fb- 500 mh =0 GeV NLO Background: bb (g) J z =0 Higgs signal e e beams with s ee = 0 GeV Fizyka Wyniki symulacji prowadzonych w Warszawie: Photon Collider

14 Foton o energii A.F.Żarnecki Wykład XIX 3 częstość (energia) maleje jest pod k atem emitowany w układzie O. z β z Dla mamy: x x częstość (energia) rośnie h ν Θ y y Dla mamy: Wyrażenia na relatywistyczny efekt Dopplera (dla światła) wynikaja wprost z transformacji Lorenza! W układzie O z transformacji Lorenza: Transformacja Lorenza Efekt Dopplera

15 A.F.Żarnecki Wykład XIX Izotropowe promieniowanie szybko poruszajacego się ciała jest skolimowane w kierunku ruchu... Dla poprzeczny efekt Dopplera Dla Θ l Θ l β = 0. β = 0.6 β = β = 0.9 β = 0. β = 0.99 β = 0.6 Θ 3 β = 0.8 β = 0.9 ν/ν l Zależność częstości od k ata emisji Obserwowany k at lotu fotonu (k at detekcji): Rozkłady k atowe Efekt Dopplera

16 częstość: A.F.Żarnecki Wykład XIX 5 Θ 0 0 3!!! maj Fotony rejestrowane pod k atem a energia w funkcji k ata detekcji: 3 β = 0. transformację Lorenza ( ) β = 0.6 Możemy jednak zastosować odwrotn a β = 0.8 β = 0.9 ν/ν l Mamy: Zależność częstości od k ata detekcji Rozkłady k atowe Efekt Dopplera

17 A.F.Żarnecki Wykład XIX 6 Dla mamy zmierzone po raz pierwszy w 960 r. ν Ζ Ziemia Foton spadajacy z wysokości w polu : Dla fotonu: Ogólna teoria względności oddziaływania grawitacyjne zależ a od energii Foton nie ma masy spoczynkowej, ale mimo to podlega oddziaływaniom grawitacyjnym. ν ο foton Oddziaływania grawitacyjne Fotony

18 Fotony Soczewkowanie grawitacyjne Kilka obrazów tej samej galaktyki: A.F.Żarnecki Wykład XIX 7

19 Soczewkowanie grawitacyjne Fotony Odległ a gwiazdę (galaktykę,...) możemy zobaczyć w kilku kierunkach, jeśli pomiędzy nami znajduje się bardzo masywny obiekt (np. gromada galaktyk) Mikro-soczewkowanie Pojaśnienie gwiazdy w wyniku ogniskowania światła w polu grawitacyjnym poruszajacych się masywnych obiektów obserwator duża masa źródło światła (Ziemia) JD A.F.Żarnecki Wykład XIX 8