Fizyka cząstek elementarnych i oddziaływań podstawowych

Transkrypt

1 Fizyka cząstek elementarnych i oddziaływań podstawowych Wykład 1 Wstęp Jerzy Kraśkiewicz

2 Krótka historia Odkrycie promieniotwórczości 1895 Roentgen odkrycie promieni X 1896 Becquerel promieniotwórczość 1900 Planck idea kwantów w promieniowaniu ciała doskonale czarnego 1905 Einstein wyjaśnił efekt fotoelektryczny, postulując istnienie fotonów Odkrycie elektronu 1897 Thomson badał promienie katodowe w polu elektrycznym i magnetycznym, wyznaczył e/m 1909 Milikan badał opadanie kropelek oliwy w powietrzu w polu elektrycznym, wyznaczył masę elektronu

3 Krótka historia 1923 Compton badał rozpraszanie fotonów na elektronach foton padający elektron rozproszony fotony niosą energię i pęd jak cząstki materialne foton rozproszony

4 Model atomu Thomsona Krótka historia Ujemnie naładowane elektrony zanurzone w dodatnio naładowanej sferze 1911 Rutherford doświadczenie z rozpraszaniem cząstek α na cienkiej foli złota i hipoteza jądra α

5 Krótka historia 1930 Pauli hipoteza istnienia nowej, lekkiej, neutralnej cząstki - neutrino neutron? proton podstawą hipotezy było ciągłe widmo energetyczne elektronu w rozpadzie neutronu elektron 1956 Reines, Cowan odkrycie neutrina

6 Krótka historia 1931 Chadwick odkrycie neutronu 1932 Anderson odkrycie pozytonu antymaterii ślad w promieniowaniu kosmicznym 1934 Yukawa zaproponował istnienie bozonu przenoszącego oddziaływanie między nukleonami 1937 Anderson, Nedermayer odkrycie mionu (lepton) µ 1946 Powell odkrycie pionu (mezon) π odkrycie pionu neutralnego p 0 p + m + + n

7 Krótka historia odkrycia wielu mezonów i barionów, w tym cząstek dziwnych w promieniowaniu kosmicznym Cząstki dziwne powstawały zawsze parami w oddziaływaniach silnych, a rozpadały się wolno w oddziaływaniach słabych 1955 odkrycie antyprotonu

8 Krótka historia

9 Krótka historia Idea kwarków (up, down, strange) (bottom) (charm). (top)

10 Krótka historia teoria oddziaływań silnych chromodynamika kwantowa (QCD) teoria oddziaływań elektrosłabych Glashow, Salam, Weinberg 1974 odkrycie czwartego kwarka charm (c) USA 1975 odkrycie leptonu tau (t - ) USA 1978 odkrycie piątego kwarka bottom (b) USA 1979 odkrycie gluonu Hamburg

11 Krótka historia 1983 odkrycie cząstek przenoszących słabe oddziaływania - W ±, Z 0 CERN (Genewa) 1995 odkrycie szóstego kwarka top (t) USA

12 Krótka historia 1998 dowód na istnienie masy neutrino - Japonia Detektor Super-Kamiokande 50,000 ton bardzo czystej wody 1000 m pod ziemią 11,146 fotopowielaczy (PMT) o średnicy 20 cali 1,885 PMT w warstwie zewn.

13 Krótka historia do dzisiaj poszukiwanie cząstki Higgsa nieodzownej w modelu oddziaływań elektrosłabych

14 Atom (10-10 m) Struktura materii? Elektron? Jądro (10-14 m) Nukleon (10-15 m) Kwark < m

15 Klasyfikacja cząstek bozony cząstki o spinie całkowitym (0, 1, 2, 3, ) fermiony cząstki o spinie połówkowym (1/2, 3/2, 5/2, ) Własności symetrii funkcji falowej identycznych cząstek za względu na ich zamianę ψ (1,2) = + ψ (2,1) dla bozonów ψ (1,2) = ψ (2,1) dla fermionów ψ (1,2) = ψ parzystość przest ψ (1,2) ψ przest spin (1,2) l (1,2) = ( 1) ψ Dla identycznych bozonów przest oraz spin muszą być obie symetryczne lub obie antysymetryczne. ψ ψ Dla identycznych fermionów przest oraz spin muszą mieć przeciwne własności symetrii. ψ

16 Przykład Bozony i fermiony ρ 0 (775 ) 2 π S=1 S=0 0 (135 ) funkcja spinowa symetryczna, więc przestrzenna teŝ symetryczna l - parzyste Nie moŝe być spełnione prawo zachowania momentu pędu! Rozpad na róŝne piony dozwolony ρ 0 π + + π

17 Klasyfikacja cząstek Stabilna materia składa się z fermionów o spinie ½ LEPTONY: e -, n e KWARKI: up, down (u, d) są budulcem HADRONÓW MEZONY (BOZONY) BARIONY (FERMIONY) Siły pomiędzy kwarkami i leptonami przenoszą bozony o spinie 1: foton g - elektromagnetyczne gluon g silne W -, W +, Z 0 słabe grawiton G grawitacyjne???

18 Siły typ relatywna siła nośnik sił działa na/w Gluony g Kwarki, Silne 1 m = 0 jądro atomowe Foton γ Elektro-magnet. ~ 1/1000 m = 0 Ładunek elektryczny W, Z bozony Leptony, kwarki, Słabe ~ 10-5 m = 80, 91 GeV rozpad β nukleonu Grawiton? Masa, energia Grawitacyjne ~ m = 0

19

20 Przykłady barionów Przykłady mezonów

21 Fermiony s=1/2 Silne kwark Nośniki oddziaływań Bozony s=1 gluony - g kwark Fermiony s=1/2 Elektromagnet. fotony γ e - e - Słabe ν bozony pośredniczące kwark Feynmana diagramy Z 0, W ±

22 Przedrostki Nazwa Skrót MnoŜnik Nazwa Skrót MnoŜnik femto f kilo k 10 3 piko p mega M 10 6 nano n 10-9 giga G 10 9 mikro m 10-6 tera T mili m 10-3

23 Jednostki energii 1 ev = 1,6 ä J 1 MeV = 10 6 ev, 1 GeV = 1000 MeV, 1 TeV = 1000 GeV PoniewaŜ E 2 = p 2 c 2 + m 2 c 4, gdzie E energia, p pęd, m masa spoczynkowa, c = 3 ä 10 8 m/s, więc wygodnie pęd mierzyć w GeV/c, a energię w GeV/c 2 lub przyjąć c = 1.

24 Jednostki naturalne GeV Ñ c Ñc = 0,197 Gev fm Energia Pęd GeV GeV/c Czas (GeV/Ñ) -1 Długość (GeV/Ñc) -1 Masa GeV/c 2 Powierzchnia (GeV/Ñc) -2 Układ naturalny - Heaviside Energia fm -1 Ñc Czas fm c -1 Pęd fm -1 Ñ Długość fm Masa fm -1 Ñc -1 Powierzchnia fm 2

25