Wgłąb materii: materia i oddziaływania

Transkrypt

1 Wgłąb materii: materia i oddziaływania Janusz Gluza, Zakład Teorii Pola i Cząstek Elementarnych Instytut Fizyki Uniwersytet Śląski, Katowice

2 Odwieczne pytania Mikroświat: materia ciągła, ziarnista? Makroświat: Wszechświat statyczny, dynamiczny? Jakie skale (rozmiary)? Mezopotamia, Egipt, Chiny, Grecja,...

3 Czasy starożytne ogień ziemia 4 6 Platon ( pne): Republika matematyka była absolutnym musem w edukacji polityków i filozofów, napis w Niech nikt nie znający geometrii nie przekracza tych progów : pierwszy wymóg rekrutacyjny Akademii: w historii edukacji (nauki) powietrze 20 8 woda 12 Piąty element: Arystoteles (substancja boska eter) Platon: Wszechświat

4 Platon połączył teorię Empedoklesa ( pne) o 4 elementach z teorią atomową Demokryta ( pne). Jego unifikacja przedstawia 4 elementy jako oddzielne podstawowe cząstki mające kształt brył doskonałych(dopiero Dalton miał podobne idee w chemii w XIX w.) Należy jednak wiedzieć, że bryły te są tak małe, iż z powodu maleńkich ich rozmiarów nigdy nie możemy żadnej z nich spostrzec indywidualnie w żadnym gatunku. Dopiero, gdy się złożą w wielkiej ilości razem, masy z nich utworzone stają się widoczne, Timajos

5 Leonardo da Vinci Model Wszechświata w oparciu o bryły platońskie, czasy Keplera dla Platona złożoność materii i zjawisk to nie była najważniejsza rzecz, ale naprawdę fundamentalne są odpowiadające im symetrie: taki jest obraz współczesnej fizyki!

6 Idąc plażą widzę piasek, który wydaje mi się ciągły, ale gdy spojrzę na niego z bliska wyraźnie widzę, że składa się z drobnych ziarenek. Tak samo jest z wodą morską i każdą inną substancją, Demokryt, uczeń Lekipposa Materia jest ciągła, można ją dzielić bez końca, Arystoteles ( p.n.e) Przez 2000 lat (!) obowiązywała za sprawą Kościoła filozofia Arystotelesa (dotycząca zarówno mikro jak i makro świata)

7 F Konsekwencje przyjęcia jedynie słusznej prawdy opartej na filozofii Arystotelesa były dla rozwoju cywilizacji tragiczne (jak to zwykle bywa w takiej sytuacji stulecia stagnacji), Aby koń poruszał się ruchem jednostajnym, potrzebna jest stała siła przykład: Galileusz ( ): tak nie jest (nie tylko z tego powodu miał on kłopoty z Arystotelesem, 1633 areszt domowy...)

8 Rozumowanie Galileusza: bezwładność i tarcie W tym rozumowaniu zawiera się w pigułce I i II zasada Newtona Kulka w idealnych warunkach (brak tarcia) ma tendencje, aby wspiąć się na tę samą wysokość (bezwładność) Gdyby jednak nie było przeciwnej ściany, kulka poruszałaby się nieskończenie długo czekając na moment, gdy może swoją energię kinetyczną zmienić w energię potencjalną (tymi pojęciami jeszcze nie operował)

9

10 Nowoczesna teoria atomistyczna Dalton: Materia składa się z niezniszczalnych, niepodzielnych atomów, jednakowych dla danego pierwiastka. Połączenia atomów w poszczególnych pierwiastkach chemichnych zachodzi w najprostszych stosunkach liczbowych (1:1,1:2,...) Model statyczny, gdzie atomy gazu stykają się za pomocą tzw. cieplika!

11 Nowoczesna teoria atomistyczna Amadeo Avogadro ( ) Równe objętości gazów zawierają równe ilości atomów (model kinetyczny) Mendelejev ( )

12 Podsumujmy ten etap...

13 Demon Laplace'a Pod koniec XIX wieku uważano, że fizyka jest już pełna nauką: rządziła teoria mechanistyczna Newtona, najdobitniej wyrażona przez Laplace'a w postaci tzw. Demona (w 1814 Pierre Simon Laplace powiedział, że gdyby znał dokładne położenie i pęd każdego atomu w kosmosie, mógłby za pomocą zasad Newtona określić całą przeszłość i przyszłość

14 W XIX wieku koncepcja mechanistyczna zaczęła zawodzić. Wykryte zostały oddziaływania magnetyczne, najpierw Faraday a później Maxwell podali teorie elektromagnetyzmu. Siły nie działają wzdłuż prostej łączącej dwa ciała.mogą być 1) skierowane w innym kierunku, 2) zależeć od prędkości ciał. Faraday wprowadził, a Maxwell ugruntował pojęcie POLA ϕ x,t ; A x,t

15 W 1820 roku Oersted zademonstrował, że płynący prąd elektryczny w obwodzie wychyla igłę magnetyczną umieszczoną przy nim. Oznacza to, że płynący prąd wytwarza pole magnetyczne. Później Faraday pokazał, że poruszający się magnes wewnątrz cewki z prądem wytwarza w niej prąd elektryczny ( na tej zasadzie działa każde dynamo, jest to zjawisko indukcji elektromagnetycznej). Pojawiła się więc symetria pomiędzy elektrycznością i magnetyzmem. Maxwell ujednolicił oddziaływania elektryczne z magnetycznymi. Ujął to pisząc cztery równania łączące pola z występującymi ładunkami i przepływającym prądem. Płynący prąd wytwarza pole magnetyczne. Zmienne pole magnetyczne powoduje przepływ prądu

16 Teoria Maxwella Światło to fala elektromagnetyczna i wszelkiego rodzaju oddziaływania magnetyczne i elektryczne są opisane za pomocą czterech równań Maxwella No i wiadomo jak wyliczyć prędkość światła! Plus grawitacja Newtona czy to już pełna teoria?

17 Jednak około 100 lat temu : X ray, W. Rontgen (Nobel, 1901) 1896 Becquerel: promieniotwórczość Thomson, Rutherford; dwa rodzaje promieniowania : rad, polon 1901 Max Planck wytłumaczenie promieniowania ciała doskonale czarnego energia promieniowania skwantowana 1905: energia fotonu skwantowana (A. Einstein) 1911: jądro Rutherford 1929: akcelerator van der Graaffa 1930: neutrino (Pauli) 1931: cyklotron E. Lawrence 1932: pozytron C. Anderson 1937: mion I. Rabi "Who ordered that?"

18 Aby wytłumaczyć postać krzywej energii promieniowania ciała doskonale czarnego Planck założył, że energia ciała promieniującego jest skwantowana

19 Penzias, Wilson, 1965: T=2.725(2) K COBE Nagroda Nobla, jeden z głównych faktów doświadczalnych XX wieku (Big Bang)

20 Co więcej, aby zrozumieć tzw. efekt fotoelektryczny, Einstein założył, że fotony także niosą energię w porcjach (kwantach), tylko wtedy można było ilościowo wytłumaczyć energie oraz strumień wybijanych elektronów z płytki metalowej

21 "Teaching should be such that what is offered is perceived as a valuable gift and not as a hard duty." Albert Einstein,1952 Marks: 6 = excellent, 5 = good, 4 = sufficient, 3 = poor, 2 = very poor, 1 = unusable

22 Mechanika Kwantowa Świat w mikroświecie nie jest mechanistyczny, rządzi się zupełnie innymi prawami, a czy dane zdarzenie zajdzie, czy też nie, określa prawdopodobieństwo zdarzenia Same cząstki są jednocześnie falami i korpuskałami (tzw. Dualizm) Efekt tunelowy,...,kryptografia,...

23 Kwantowy atom Bohra

24 Linie emisyjne wodoru (u dołu) dla siatki o stałej 600 szczelin/mm (podobnie cdrom efekt interferencji)

25

26 astr.gsu.edu/hbase/hph.html

27 Wgłąb materii

28 Niepostrzeżenie wprowadziłem pojęcie orbit elektronowych, no i jądra, czyli Ernest Rutherford

29 Doświadczenie Marsdena, Geigera Kąt duży: rozpraszanie do tyłu Rutherford: atom 10^( 10)m, jądro: 10^( 14)m To tak jakby wystrzelić pocisk w kierunku kawałka papierku, a on by się odbił i uderzył was z powrotem

30 Model Thompsona (rodzynkowy) Jakiego maksymalnie kąta rozproszenia możemy się spodziewać w tym modelu?

31 !!!!!!!!!!!!

32 A więc wiemy już, że: Istnieje pierwiastek (molekuły, cząsteczki) Istnieje atom Istnieje jądro Materia zbudowana z elektronów i jąder Mamy też fotony, które są i falami, i cząstkami Oddziaływania (siły) grawitacyjne, elektromagnetyczne

33 Idźmy dalej, jądro: rozpady Jądra mają różne ilości protonów (Z) oraz neutronów (izotopy) Właśnie, protony mają ładunek dodatni (i są skupione na małej przestrzeni), a więc jądra są dodatnie

34 To dlaczego większość z nich jest trwała? Najtrwalsze żelazo

35 Oddziaływania silne Oddziaływanie jest (prawie) niezależne od tego, czy zachodzi pomiędzy p n, p p, n n Wymiana pionów między nukleonami daje stabilność jąder (Yukawa) Dlatego też, oddziaływanie pomiędzy nukleonami powinno być wyjaśnione przez oddziaływanie kwarków. Ale protony i neutrony zbudowane są z kwarków

36 Kwarki to dziwne stwory: mają ładunki ułamkowe W latach 70 tych powstała teoria opisująca oddziaływania silne, nazywa się Chromodynamiką Kwantową (Quantum ChromoDynamics = QCD). Opiera się na założeniu, że kwarki występują w trzech różnych stanach, które ze względu na analogię nazywa się KOLOREM

37 Kwarki występują w trzech stanach kolorowych: zielonym, czerwonym i niebieskim Podobnie dla antykwarków, występują one w trzech antykolorach: antyzielonym = karmazynowym, antyczerwonym = cyjanowy, antyniebieski = żółty Oddziaływanie pomiędzy kwarkami jest przenoszone przez osiem kolorowych GLUONOW

38 Pomiędzy kwarkami w protonie i neutronie wymieniane są kolorowe gluony. W ten sposób kwarki zmieniają swój kolor, co widać na rysunkach obok. Kwarki przyciągają się tym silniej im dalej znajdują się od siebie (uwięzienie kwarków). Ich oddziaływanie słabnie gdy kwarki zbliżają się do siebie (asymptotyczna swoboda). W ten sposób nigdy nie widzimy swobodnych kwarków. Gdy próbują je oddalić, rośnie ich energia oddziaływania. Mogą się więc wykreować nowe kwarki, te zaś łączą się ze starymi dając mezony. W ten sposób: każdy hadron może się rozpaść ale tylko na inne hadrony. Siły jądrowe odpowiadające za utrzymywanie związanych jąder, podane w 1935 roku przez Yukawę i polegające na wymianie mezonów interpretujemy teraz jako wymianę stanów związanych kwark antykwark. π u d W ten sposób neutron, który w próżni żyje średnio około 16 minut, wewnątrz jądra co chwilę przemienia się w proton. Jądra pozostają stabilne.

39 Tak więc oddziaływania silne spajają jądra,... A protony i neutrony składają się z kwarków oraz gluonów (oddziałujących wewnątrz także silnie) Nie tylko neutrony, protony, piony składają się z kwarków

40 Leptony naładowane neutrina kwarki Cząstki przenoszące oddziaływania Plus setki dalszych cząstek!

41 Mezony (kwark antykwark)

42 Bariony (3 kwarki) neutron proton

43 Degeneracja mas w płaszczyznach Bryły platońskie? Podstawą są specjalne symetrie...

44 LEPTONY naładowane (elektron, mion, tau) HADRONY Mezony (piony, kaony,...) znaczy: lekkie obojetne (neutrina) zbudowane z kwarków Bariony (protony, neutrony,..)

45 Ostatnie oddziaływanie podstawowe Grawitacyjne Elektromagnetyczne (Quantum EletroDynamics) Silne (Quantum ChromoDynamics)

46 Po wykryciu rozpadu jąder, zauważeniu ciągłego rozkładu energii emitowanego elektronu, podaniu przez Pauliego hipotezy istnienia neutrin Fermi w 1934 roku podał pierwszy model oddziaływań słabych Istnieją dwa różne rozpady beta jąder. Pokażemy to na przykładzie jądra BROMU składającego się z 35 protonów i 45 neutronów. Częściej rozpada się jeden z neutronów. Ale może także rozpaść się proton. BROM rozpada się na KRYPTON BROM rozpada się na SELEN

47 Teoria przewiduje istnienie trzech bardzo ciężkich bozonów których wymiana, tak jak poprzednio fotonów i gluonów, powoduje oddziaływanie pomiędzy fermionami. Tym razem oddziałują wszystkie fermiony, nawet neutrina. Te cząstki to: W, W oraz Z. 0

48 NEUTRINA Zrobiłem straszną rzecz. Zaproponowałem cząstkę, która nie może być wykryta. To jest coś, czego teoretyk nie powinien nigdy robić Wolfgang Pauli

49 Cechy neutrin Neutralne leptony oddziałują z materią tylko słabo, mają bardzo małą masę Większość neutrin ν przechodzi przez Ziemię, nie oddziałując!

50 Trochę liczb Słońce emituje 2*10^38 neutrin na sekundę! Na Ziemi w ciągu sekundy przez 1 cm^2 przechodzi ok. 40 miliardów neutrin Detektor zawierający 1000 ton ciężkiej wody obserwuje 30 przypadków dziennie Aby schwytać pojedyncze neutrino ze 100% pewnością potrzeba by płyty ołowianej o grubości ok 5 lat świetlnych Zakładając masę człowieka 80 kg i gęstość ρ=1kg/dm3 w ciągu życia człowiek zarejestruje jedno neutrino Ponieważ przekroje czynne b. Małe (10^-48 m^2): duże detektory Promieniowanie naturalne w Ziemi (niezbyt znane): GW (około reaktorów jądrowych!) co przekłada się na około 6 milionów neutrin na sekundę na cm^2.

51 Źródła neutrin Naturalne: Słońce (fuzja lekkich jąder atomowych) atmosfera Ziemi (rozpady pionów i mionów) wybuch supernowej Wielki Wybuch (neutrina reliktowe) Sztuczne: reaktor jądrowy (rozszczepianie ciężkich jąder atomowych) akcelerator (rozpad pionów) fabryka neutrin (akcelerator mionów)

52 Detekcja neutrin metoda radiochemiczna zjawisko scyntylacji zjawisko Czerenkowa jonizacja ośrodka Więcej, wykład X, www

53 Przykład, metoda radiochemiczna e Cl Ar e - e Ga Ge e - Eksperymenty głęboko w Ziemi, Homestake, USA

54 Detektor SNO, Kanada (Sudbury Neutrino Obserwatory) detektor w kształcie beczki o wysokości 34 m i szerokości 22 m wypełniony wodą (H2O) i ciężką wodą (D2O) detektor zewnętrzny (H2O) 5300 ton detektor wewnętrzny (H2O) 1700 ton wewnątrz detektor w kształcie kuli (D2O) o średnicy 12 m 2072m pod ziemią

55 Super Kamiokande, Japonia detektor w kształcie walca średnica 39 m wysokość 42 m ton wody kopalnia Mozumi (1 km) detektor wewnętrzny (ID): 32 kt wody fotopowielaczy detektor wewnętrzny (OD): 18 kt wody fotopowielaczy

56 ANTARES (Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss environment RESearch) 40 km od wybrzeża Francji (Toulon) głębokość 2350 m pierwszy drut zainstalowany w 2003 pierwsze wyniki obiecujące sygnały bioluminescencji

57 AMANDA (Antarctic Muon And Neutrino Detector Array) i IceCube

58 IceCube w budowie 80 sznurów 125m między sznurami 4800 fotopowielaczy V = 1km3 neutrina wszystkich zapachów do 107eV szum od supernowej zwiększony do 1020eV

59 rozpad trytu (neutron zmienia się w proton z emisją elektronu i neutrina) Taka linia w widmie energetycznym, gdyby rozpad na dwa ciała

60 m1 Klasycznie: M M=m1+m2, m1 v1= m2 v2, E=E1+E2, E1=f(E,m1,m2) E2=g(E,m1,m2) m2

61 Transport Katrin

62

63 OSCYLACJE Neutrina ze Słońca Neutrina w atmosferze

64 Cern Gran Sasso

65

66 Materia Antymateria

67 Skąd bierze się masa? Standardowy model oddziaływań ma na ten temat zdanie: oddziaływanie z cząstką skalarną (Higgsa) W tym roku rusza LHC (Large Hadron Collider)

68

69

70 WWW powstało w CERNIE

71

72

73

74 Technologia porównywalna z badaniami kosmicznymi W LHC ilość przetwarzanej informacji równoważna całej sieci telekomunikacyjnej w Europie (CMS: 500 Gbit/s) Magnesy nadprzewodzące dające do 10 T, chłodzenie ton materiału do 1.9 K; 4 sektory o mocy 18kW każdy, rozprzężenie azotu (turbiny r.p.m.) Całkowita moc do chłodzenia 32 MW

75

76 Wszechświat i jego ewolucja w makroskali ściśle związane ze światem cząstek Wgłąb materii

77 Unifikacja sił a Wszechświat T=1014 K Wgłąb materii

78

79 Model Standardowy nie jest zamkniętą księgą, przeciwnie Supersymetria

80 Dodatkowe wymiary Czy jeśli jeszcze głębiej wejdziemy w mikroświat nie okaże się, że wypączkują wokół nas nowe wymiary?

81 Nieporuszone tematy Skąd biorą się oddziaływania (siły)? Model Standardowy odpowiada: z symetrii! Dlaczego jest więcej materii niż antymaterii? Dlaczego takie, a nie inne masy?... strona www ZTCZE,..

82 fenomenologia Wgłąb materii

83 Wgłąb materii

84 Katowice, 3 marzec 2008 Wgłąb materii

85 Dziękuję za uwagę Wgłąb materii