Elementy Fizyki Jądrowej. Wykład 5 cząstki elementarne i oddzialywania

Transkrypt

1 Elementy Fizyki Jądrowej Wykład 5 cząstki elementarne i oddzialywania

2 atom co jest elementarne? jądro nukleon m m m elektron kwark brak struktury!

3 elementarność elektron (J.J.Thomson) 1905 foton (A.Einstein) 1911 jądro (E.Rutherford) 1919 proton (E.Rutherford) 1928 pozyton (P.A.M.Dirac) 1931 neutrino (W.Pauli) 1932 neutron (J.Chadwick)

4 elektron Thomson (1895) promienie katodowe elektroliza emisja elektronów czas życia: masa: ładunek: z = -1 barionowy: B = 0 leptonowy: L = 1 spin: J = ½ moment magnetyczny: stabilny m = MeV e mec 2 P.A.M.Dirac

5 proton Rutherford (1919) emisja po reakcji + N czas życia: masa: ładunek: z = 1 barionowy: B = 1 leptonowy: L = 0 spin: J = ½ moment magnetyczny: stabilny m = MeV 2.79 e m p c 2 struktura?

6 foton A.Einstein (1905) efekt fotoelektryczny czas życia: stabilny masa: m = 0 ładunek: z = 0 barionowy: B = 0 leptonowy: L = 0 spin: J = 1 energia, pęd: E p c

7 neutron Chadwick (1930) czas życia: = 14.8 min, n p + e + e masa: m = MeV ładunek: z = 0 barionowy: B = 1 leptonowy: L = 0 spin: J = ½ moment magnetyczny: 1.91 e m p c 2

8 pozyton P.A.M.Dirac (1928) relatywistyczne równanie falowe spin moment magnetyczny oraz energia: E me c p c mc 2 0 -mc 2 cząstka (elektron) dziura (pozyton) Carl Anderson (1932) odkrycie w komorze mgłowej z polem B

9 Kreacja pary elektron-pozyton pozyton foton elektron h min = 2m e c MeV

10 lawiny fotonowo-elektronowe

11 anihilacja foton elektron pozyton foton hamowanie pozytonium anihilacja 2 fotony E 0.5 MeV

12 neutrino Pauli (1931) przewidział istnienie na podstawie analizy rozpadu czas życia: masa: stabilny m = 0? (< MeV) ładunek: z = 0 barionowy: B = 0 leptonowy: L = 1 spin: J = ½ moment magnetyczny: = 0 Reines, Cowan (1957) odkryli neutrino

13 więcej cząstek miony (C.Anderson i S.Neddermeyer promieniowanie kosmiczne) m 200 m e = (105 MeV) oraz + (antycząstka) są nietrwałe czas życia: s rozpady mionów: 1947, fotoemulsja: e + + e + e + + e dwa rodzaje neutrin: elektronowe i mionowe: (e, e ), (, )... a potem jeszcze taonowe (, )

14 odkrycie taonu SPEAR (energia zderzenia w środku masy = 4 GeV) e + + e e + + e +

15 więcej cząstek... Mezony (piony) m 150 MeV Powell (1947) promienie kosmiczne + emulsja jądrowa e + + e + (e + + e + ) + e + Istnieje oraz + (antycząstka) e

16 0 w komorze pęcherzykowej + Xe T = 3.5 GeV

17 pierwsza fotografia cząstki V o wtórne kosmiczne, h = 0 komora mgłowa B = 0.35 T, (Manchester Univ.) K o G.D.Rochester i C.C.Butler; Nature, 160, 855, (1947) π - π + Mezon K 0 cząstka dziwna m V = MeV = s

18 wśród produktów rozpadu też: protony p MeV proton o p MeV pion m V 1130 MeV p π - Hiperon 0 cząstka dziwna

19 K + e + e p hiperon omega o e + K + p + K + + K o p 0 = 5 GeV/c o e o + K o o o o + o p K o p + Dziwność = -3 o 2 2 ( e + e + ) N.Samios, BNL (1964) komora Glasera H 2, 80

20 Model Standardowy Do chwili obecnej odkryto około dwieście cząstek (z których większość nie jest cząstkami elementarnymi). Model Standardowy teoria opisująca wszystkie cząstki i oddziaływania między nimi za pomocą: 6 kwarków 6 leptonów cząstek przenoszących oddziaływania Każdej cząstce odpowiada antycząstka

21 kwarki (spin = ½) i leptony (spin = ½) aromat (flavour) u up górny d down dolny c charm powabny s strange dziwny t top wierzchni b bottom spodni masa [MeV] ładunek lepton masa [MeV] +2/3 e - elektron = -1/3 ν - neutrino elektronowe +2/3 μ -mion = s -1/3 ν μ neutrino mionowe +2/3 τ - taon = s -1/3 ν τ neutrino taonowe ładunek < < < Cząstki z różnych rodzin różnią się zapachem. PPb 2002

22 Hadrony Z kwarków zbudowane są hadrony: z trzech kwarków bariony z kwarku i antykwarku - mezony

23 Większość masy hadronu to energia wiązania kwarków. Bariony

24 Masa hadronu Kupujemy 1 kg jabłek... (masa protonu 1 GeV)... a w domu z torby wysypujemy 3 maleńkie jabłuszka tylko 12 g! (masa kwarków 0,012 GeV)

25 ud ud us Mezony

26 Leptony Leptony = (e, e ), (, ), (, ) + antycząstki są fermionami oddziałujacymi słabo, Liczba leptonowa: L e L L e, e +1, +1, +1 e +, e 1 +, 1 +, 1 inne 0 inne 0 inne 0 Cząstki należące do różnych rodzin różnią się zapachem.

27 Rozpady leptonów Elektron i 3 rodzaje neutrin trwałe Mion i taon - nietrwałe Liczby elektronowe, mionowe i taonowe są zawsze zachowane, gdy ciężki lepton rozpada się na mniejsze leptony. Czy te rozpady są możliwe? Liczba mionowa niezachowana Energia niezachowana

28 Oddziaływania Wirtualne cząstki przenoszące oddziaływanie Zasada nieoznaczoności: E t Próżnia wypełniona jest powstającymi i znikającymi cząstkami wirtualnymi. czas 1 cząstka wysyła i pochłania cząstki wirtualne 1 cząstka wysyła, a 2 cząstka pochłania cząstki wirtualne

29 Odziaływanie elektromagnetyczne Działa na ładunki elektryczne Odpowiedzialne za wiązania chemiczne Nośnik foton ( ) Zasięg nieskończony

30 Odziaływanie silne Działa na ładunki kolorowe Odpowiedzialne za wiązanie kwarków w barionach Nośniki gluony Zasięg m (odległość typowa dla kwarków w nukleonie)

31 Odziaływanie silne Kwarki mają ładunek kolorowy G B R R Istnieją tylko cząstki o całkowitym ładunku kolorowym równym zeru. B G Uwięzienie kwarków (kolorów)

32 Oddziaływanie między elektronami maleje wraz z odległością Oddziaływanie między kwarkami rośnie wraz z odległością

33 Uwięzienie kwarków Oddziaływanie między kwarkami rośnie wraz z odległością. Próba rozdzielenia kwarków prowadzi do wytworzenia nowej pary kwark-antykwark (jest to proces korzystniejszy energetycznie). mezon D - mezon D + mezon c E 2 mc Zamiana energii na masę

34 Oddziaływanie kolorowe Gluony muszą mieć ładunek kolorowy oraz ładunek antykolorowy, gdyż zmieniają one zawsze dany kolor w antykolor. q g q Ładunek kolorowy jest zawsze zachowany. 8 gluonów - 8 stanów kolorów superoktet (SU3)

35 Oddziaływanie słabe Odpowiedzialne za rozpad ciężkich kwarków i leptonów na lżejsze kwarki i leptony (zmiana zapachu). Cząstki przenoszące oddziaływanie słabe to bozony: W +, W - i Z 0. Masy W +, W - i Z 0 duże (~80 GeV) Zasięg mały Oddziaływanie słabe i elektromagnetyczne opisuje jednolita teoria oddziaływań elektrosłabych.

36 Oddziaływania elektrosłabe Małe odległości (10-18 m) wielkie energie Oddziaływania słabe i elektromagnetyczne porównywalne. Większe odległości ( m) Oddziaływanie słabe jest 10-4 razy mniejsze niż elektromagnetyczne

37 Słaby rozpad e W e e e e e W rozpadzie pośredniczy bozon W -

38 Oddziaływanie grawitacyjne Działa na każde ciało Odpowiedzialne za istnienie planet, gwiazd, galaktyk... Nośnik (hipotetyczny) grawiton? Zasięg nieskończony Brak teorii, która wiąże oddziaływanie grawitacyjne z innymi rodzajami oddziaływań jeden z głównych nierozwiązanych problemów kosmologii.

39

40 Względna siła czterech oddziaływań (rzędy wielkości sił działających między dwoma protonami w bezpośrednim kontakcie): 1 : silne 10-2 : elektromagnetyczne 10-7 : słabe : grawitacyjne