CZĄSTKI ELEMENTARNE JAK TO ZROZUMIEĆ CZYLI MIĘDZY INNYMI O GOTOWANIU MAKARONU

Transkrypt

1 CZĄSTKI ELEMENTARNE JAK TO ZROZUMIEĆ CZYLI MIĘDZY INNYMI O GOTOWANIU MAKARONU

2 Z czego jest zbudowany świat? Tales z Miletu (VII/VI p.n.e.) - "Wszystko jest z wody, z wody powstało i z wody się składa" Anaksymenes z Miletu (VI p.n.e.) prapierwiastkiem świata jest powietrze Heraklit z Efezu (VI/V p.n.e.) pierwotnym tworzywem jest ogień Empedokles z Akragas (V p.n.e.) świat zbudowany jest z czterech żywiołów pierwotnych tzw. pierwiastków: wody ognia powietrza ziemi Anaksagoras z Kladzomen (VI/V p.n.e.) świat jest zbudowany z wielkiej liczby małych cząstek Demokryt z Abdery (V/IV p.n.e.) świat zbudowany jest z jednolitych, niepodzielnych cząstek atomów. Pogląd ten zwalczał m. in. Platon. Arystoteles ze Stagiry (IV p.n.e.) pierwiastki są obdarzone charakterystycznymi cechami

3 Naukę Arystotelesa przejęli Rzymianie, a później Arabowie. W średniowieczu i w czasach Renesansu nauka Arystotelesa stała się podstawą nauki alchemików Arabski alchemik Dzabir Ibn Hajjan (~720 - ~813) pierwiastkami są siarka i rtęd. Metale można otrzymad przez zmieszanie tych dwóch. Paracelsus ( ) teoria trzech pierwiastków rtęd, siarka, sól. Robert Boyle ( ) odrodzenie teorii atomistycznej cząsteczki składają się z atomów, będących najmniejszymi porcjami pierwiastków. Atomistyczną teorię wyznawał także Izaak Newton. Nowoczesną teorię atomistyczną sformułował w XIX w. John Dalton ( ). Realnośd istnienia atomów potwierdziły prace Alberta Einsteina ( ) i Mariana Smoluchowskiego ( )

4 BUDOWA ATOMU Sir Joseph J. Thomson ( ) Nagroda Nobla 1906 Thomson badał przepływ prądu elektrycznego w gazach poddanych promieniowaniu X. Wniosek w atomie istnieją cząstki, które wyzwalane przez promieniowanie X, są odpowiedzialne za przepływ prądu w gazach. Cząstki te nazwano elektronami. Thomson stwierdził, że masa elektronu jest 1000 razy mniejsza niż masa atomu wodoru. Naprawdę ten stosunek wynosi ~2000. Atom według Thomsona miał byd kulką materii o ładunku dodatnim, w której zanurzone są elektrony.

5 Sir Ernest Rutherford ( ) Nagroda Nobla 1908 W roku 1911 Rutherford wykonał słynne doświadczenie z rozpraszaniem cząstek α na foli ze złota Odkrycie jądra atomowego Większośd cząstek rozpraszała się pod małymi kątami, ale 1 na 8000 rozpraszała się pod kątem bliskim 180 stopni. Rutherford: To było tak, jakby piętnastocalowy pocisk, wystrzelony w kawałek bibułki, odbił się od niej i trafił w strzelającego.

6 Dlaczego wynik eksperymentu Rutherforda był tak niezwykły? Według modelu Thomsona wszystkie cząstki powinny przejśd przez atom jak przez masło. Wynik eksperymentu Rutherforda wskazywał na istnienie w atomie dodatnio naładowanego jądra, skupiającego w sobie prawie cała masę Planetarny model atomu wg. Rutherforda

7 ATOM WODORU BOHRA Niels Bohr ( ) Nagroda Nobla 1922 Bohr oparł się na pracach Maxa Plancka, który wykazał, że promieniowanie jest emitowane w porcjach (kwantach) Postulaty Bohra: elektron krąży po swojej orbicie bez emisji promieniowania i może zajmowad tylko ściśle określone orbity emisja promieniowania następuje przy przejściu z orbity wyższej na niższą,przejście z orbity niższej na wyższą (wzbudzenie) wymaga dostarczenia określonej porcji energii moment pędu jest skwantowany

8 Hideki Yukawa ( ) Nagroda Nobla 1949 Tajemnicza cząstka Yukawy Dla wyjaśnienia sił pomiędzy nukleonami konieczna jest dodatkowa cząstka o masie ~200 m e (1935). Yukawa nazwał tą cząstkę mezonem. W 1936 roku Anderson odkrywa w promieniowaniu kosmicznym cząstkę o masie równej 207 masom elektronu. Czy to postulowany przez Yukawę mezon??? NIE!!! Nowa cząstka bardzo słabo oddziaływała z materią. Nowa cząstka (dzisiaj nazywamy ją mionem) nie pasowała do niczego. Isidor Raabi kto to zamawiał?

9 Odkrycie mezonu π Cecil F. Powell ( ) Nagroda Nobla 1950 μ W 1946 roku Powell, Lattice i Ochciallini zaobserwowali rozpad nowej cząstki, silnie oddziaływującej z materią. Nowa cząstka miała masę ~270 m e. To była poszukiwana cząstka Yukawy, którą nazwano mezonem π (pionem) Co widad na tym obrazku? Mezon π, poruszający się z lewej do prawej rozpada się w punkcie A na mion (μ) i jeszcze coś π A

10 Odkrycie cząstek dziwnych George Rochester ( ) Razem z Cliffordem Butlerem zaobserwowali w promieniowaniu kosmicznym nową, nietrwałą, neutralną cząstkę, którą nazwali V, od topologii rozpadu. Wkrótce potem stwierdzono, że takie cząstki żyją stosunkowo długo i są produkowane wyłącznie w parach. Aby wytłumaczyd tą własnośd, nowej cząstce przypisano cechę, nazwaną dziwnością.

11 Komora pęcherzykowa Aparat stereoskopowy Ciekły wodór Lampa błyskowa Układ rozprężający

12 Jest to fotografia komory pęcherzykowej, w której antyproton wlatujący z dolnej części zdjęcia do góry, zderza się z protonem (w spoczynku) i występuje anihilacja. W procesie tym powstało osiem pionów. Jeden z nich rozpadł się na mion μ + i ν. Tory dodatnich i ujemnych pionów odchylają się w polu magnetycznym w przeciwnych kierunkach, a obojętne ν nie pozostawia śladu.

13 CZĄSTKA NAŁADOWANA W POLU MAGNETYCZNYM

14

15 Fermion ( niezbyt towarzyskie cząstki) cząstki o połówkowym spinie, które nie chcą zajmować tej samej pozycji energetycznej >>>> zakaz Pauliego Bozon (cząstki towarzyskie) cząstki o całkowitym spinie, obecność innych cząstek im nie przeszkadza

16 Oddziaływanie pomiędzy cząstkami Grawitacyjne tak słabe, że są do pominięcia Elektromagnetyczne dotyczy cząstek obdarzonych ładunkiem Silne utrzymują w całości jądro atomowe pomimo elektromagnetycznych sił odpychających od siebie protony Słabe dotyczą wszystkich cząstek Hadrony ---- oddziałują silnie: protony, neutrony, piony Leptony ---- nie oddziałują silnie: elektrony, neutrina Hadron który jest fermionem to barion: proton Hadron który jest bozonem to mezon: pion

17 Foton to też cząstka elementarna! Każda cząstka ma swoją antycząstkę Dwa fermiony jakimi są elektrony zamieniają się w dwa bozony jakimi są fotony Ładunek zachowany Liczba leptonów zachowana bo foton to też lepton Spin też zachowany

18 Dziwność (oddziaływania silne) Niektóre cząstki zawsze powstają parami jak np. Kaon i Sigma To zachowanie tak zdziwiło naukowców, że nazwali je dziwnymi jeszcze przed ich identyfikacją. Wkrótce sformułowano prawo zachowania dziwności przypisując dla Kaonu dziwność S=+1 a dla Sigmy S=-1 Często zachodząca reakcja a ta pomimo, że nie łamie innych zasad zachowania nie zachodzi nigdy

19 Ścieżki osmiokątne i idea kwarków

20 Fizycy opracowali teorię zwaną Modelem standardowym. Wyjaśnia ona, czym jest świat i co utrzymuje go w całości. Jest to prosta i spójna teoria, która opisuje setki znanych nam cząstek oraz oddziaływania między nimi jedynie za pomocą: 6 kwarków. 6 leptonów. Najbardziej znanym leptonem jest elektron. cząstki przenoszące oddziaływanie, jak np. foton. Wszystkie znane cząstki materii składają się z kwarków i leptonów. Oddziałują one poprzez wymianę cząstek przenoszących oddziaływania.

21 Nazwa Symbol Generacja Izospin I Zapach Ładunek e Masa prądowa m (MeV/c²) Masa konstytuentn a M (GeV/c²) Antycząstka górny u 1 +½ U = +1 +⅔ 1,5 4,0 0,31 antygórny dolny d 1 ½ D = 1 ⅓ 4 8 0,31 antydolny dziwny s 2 0 S = 1 ⅓ ,50 antydziwny powabny c 2 0 C = +1 +⅔ ,60 antypowabny niski, piękny b 3 0 B* = 1 ⅓ ,60 antyniski wysoki, prawdziwy t 3 0 T = +1 +⅔ ± antywysoki

22 Model standardowy jest dobrą teorią. Eksperymenty potwierdziły jej przewidywanie wprost z niewiarygodną dokładnością i wszystkie cząstki przewidziane przez tę teorię zostały odkryte! Nie wyjaśnia ona jednak wszystkiego. Przykładowo grawitacja nie jest opisana przez Model standardowy.

23 ODDZIAŁYWANIA Wszystkie znane cząstki oddziałują poprzez cztery podstawowe oddziaływania: ELEKTROMAGNETYCZNE, SILNE, SŁABE, GRAWITACYJNE Siła tych oddziaływań dla dwóch protonów blisko siebie (10-15 m): Silne 1 Elektromagnetyczne 10-2 Słabe 10-7 Grawitacyjne Przy bardzo małych odległościach (wysokich energiach) - UNIFIKACJA

24 LHC co to takiego?

25 CERN i LHC Jezioro Genewskie Lotnisko w Genewie tunel LHC (długość 27 km, ok.100m pod powierzchnią ziemi) CERN/Meyrin

26 LHC w schematycznym przekroju

27 My chcemy cofnąć bieg czasu... Przyroda Wielki Wybuch Plazma K-G Nukleony Jądra Atomy Dzisiaj 10 6 s 10 4 s 3 min 1.5 *10 9 lat Eksperyment

28 AKCELERATOR LINIOWY

29 Cyklotron Na początku lat trzydziestych na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley dwaj naukowcy Ernest Orlando Lawrence ( ) i M.S Livingston skonstruowali nowy typ przyrządu służącego do przyspieszania jonów

30 NA POCZĄTKU LAT CZTERDZIESTYCH D.W. KERST Z UNIVERSITY OF ILLINOIS SKONSTRUOWAŁ NOWE URZĄDZENIE ROZPĘDZAJĄCE JONY - BETATRON.

31 TO CO NAJLEPSZE SYNCHROTRON

32 ZIELONA LINIA 16 METROWY AKCELERATOR LINIOWY- ENERGIA E=200MEV PURPUROWA LINIA O 300 METROWEJ ŚREDNICY SYNCHROTRON- ENERGIA 3GEV

33 ŚREDNICA 9KM ENERGIA 7 TEV DWIE WIĄZKI PRZECIWBIEŻNE

34 Niektóre dane LHC Długość obwodu tunelu akceleratora Średnia głebokość tunelu akceleratora Energia protonów w wiązce Energia jonów w wiązce Prędkość protonów w wiązce m 100 m 7 TeV 2,76 TeV/nukleon 0, c Liczba protonów w wiązce 2808 paczek x Liczba obiegów protonu w akceleratorze na sekundę Liczba zderzeń cząstek 600 mln/s Liczba rejestrowanych zderzeń 100/s Czas życia wiązki 10 h Liczba elektromagnesów akceleratora Indukcja pola magnetycznego w elektromagnesach dipolowych 8,3 T Temperatura obwodów nadprzewodzących w tych elektromagnesach 1,9 K Ciśnienie w rurze wiązki Koszt akceleratora Koszt detektorów i gridu (w CERN-ie) Decyzja o budowie 1994, rozpoczęcie budowy 1998, uruchomienie atm 4,98 mld CHF 1,53 mld CHF

35

36 LHC, Large Hadron Collider - Wielki Zderzacz Hadronów

37

38 CERN/LHC - Large Hardon Collider (Wielki Zderzacz Hadronów) LHC, to prawdziwa księga rekordów Guinnessa Głębokość tunelu akc. H=100m W tych rurach krążą protony; ich prędkość: Długość tunelu akceleratora L=27km v= c Energia: E p =7 TeV c prędkość światła Próżnia P=10-10 Tr Temperatura T=1.9 K= o C Magnesy nadprzewodzące: Prąd elektryczny: I= A Pole magnetyczne: B=8.7 T

39

40 Energia progowa Do produkcji stanów wielocząstkowych również potrzeba pewnej energii progowej: np produkcja antyprotonów: wymaga energii w CMS: a przy zderzaniu protonów z tarczą: jest to tzw. energia progowa na produkcję antyprotonów. Przy obliczaniu energii progowej należy uwzględnić prawa zachowania, np:

41 Dlaczego właśnie w CERN? Jeśli chcesz znaleźć się w miejscu w którym nigdy nie byłeś, musisz iść drogą, którą nigdy nie szedłeś. Prof. B. Galwas