Cząstki elementarne wprowadzenie. Krzysztof Turzyński Wydział Fizyki Uniwersytet Warszawski

Transkrypt

1 Cząstki elementarne wprowadzenie Krzysztof Turzyński Wydział Fizyki Uniwersytet Warszawski

2 Historia badania struktury materii XVII w.: ruch gwiazd i planet, zasady dynamiki, teoria grawitacji, masa jako miara bezw!adno"ci Maxwell Becquerel pocz!tek XX w.: odkrycie pomieniowania! i ". Maria i Piotr Curie Glashow Weinberg Newton XIX w.: elektryczno"# i magnetyzm zunifikowane w jedn$ teorie, oddzia!ywanie mi%dzy!adunkami przenoszone przez pola (zaproponowane przez Faradaya) Rutherford Salam druga po"owa XX w.: oddzia#ywania elektromagnetyczne oraz silne i s#abe (odowiedzialne za pomieniowanie! i ") opisane jedn$ teori$ Modelem Standardowym. Higgs

3 0-10 m m m Electron Matter Molecule Nucleon Atom Quarks Nucleus m m u u d górny dolny Proton m m elektronowe Kwarki powabny dziwny Leptony mionowe Sily top bottom taonowe elektron mion taon bozon Z bozon W 0-10 m m m Electron Matter Kwark u promieniowanie # u d Nucleon Proton Atom proton Nucleus m!""#$%&'(%)$*+ *,*-./01%2)*.'3#)*+ Molecule Quarks m m Zasi!g: niesko"czony m 40.0)+ elektron

4 Kwarki promieniowanie # elektron górny powabny top proton dolny dziwny Leptony bottom Kwark elektronowe mionowe taonowe!""#$%&'(%)$*+ *,*-./01%2)*.'3#)*+ elektron mion taon Sily bozon Z 40.0)+ bozon W Zasi!g: niesko"czony

5 Kwarki promieniowanie # elektron górny powabny top proton dolny dziwny Leptony bottom Kwark elektronowe mionowe taonowe!""#$%&'(%)$*+ *,*-./01%2)*.'3#)*+ elektron mion taon Sily bozon Z 40.0)+ bozon W Zasi!g: niesko"czony

6 energia związana z istnieniem materii E = mc 2 (konieczne posiadanie masy) energia związana z ruchem (lub przemieszczaniem się zaburzeń) 1 ev Jednostka energii: energia uzyskiwana przez elektron przechodzący przez różnicę potencjałów 1 V. 1 GeV = 10 9 ev 1 GeV/c 2 Jednostka masy m p =0,938 GeV/c 2 m e =0, GeV/c 2 energia związana z oddziaływaniami między różnymi składnikami materii

7 X Y X Y 2m X c 2 + E przed K =2m Y c 2 + E po K Zasada zachowania energii (Zasada zachowania pędu)

8 Kwarki promieniowanie # elektron górny powabny top proton dolny dziwny Leptony bottom Kwark elektronowe mionowe taonowe!""#$%&'(%)$*+ *,*-./01%2)*.'3#)*+ elektron mion taon Sily bozon Z 40.0)+ bozon W Zasi!g: niesko"czony

9 !""#$%&'(%)$*+,&%-*+!"#$%&'()*&+#'./010)+ -0#0)+ )*21/0)+ 3%,$456+!""#$%&'(%)$*+,$7)*+./010)+ )*21/0)+ mezon Foton bezmasowy Bozony W, Z t!u"ciochy Oddzia!ywanie z na!adowan# pró$ni# 5720)+ 3%,$456+ Plazma kwarkowo-owa! bozon Higgsa? co" bardziej skomplikowanego?

10 Q =0 Q =+1 górny dolny elektronowe Kwarki powabny dziwny Leptony mionowe Sily top bottom taonowe elektron mion taon bozon Z bozon W oddz. silne i elektromagnetyczne Charakterystyka cząstki: liczby kwantowe Q =+2/3 proton Q = 1/3 Kwark Q =0 promieniowanie #!""#$%&'(%)$*+ *,*-./01%2)*.'3#)*+ Q = 1 Q =0 Q =0 Zasi!g: niesko"czony 40.0)+ elektron Każda cząstka ma antycząstkę o tej samej masie i spinie, ale przeciwnych wszystkich liczbach kwantowych. Ogólna zasada: wszystkie oddziaływania są dozwolone, o ile nie są zabronione przez konieczność zachowania liczb kwantowych.

11 Q =0 Q =+1 górny dolny elektronowe oddz. słabe Kwarki powabny top dziwny bottom Leptony mionowe elektron mion taon Sily bozon Z bozon W taonowe Charakterystyka cząstki: liczby kwantowe Q =+2/3 proton Q = 1/3 Kwark Q =0 promieniowanie #!""#$%&'(%)$*+ *,*-./01%2)*.'3#)*+ Q = 1 Q =0 Q =0 Zasi!g: niesko"czony 40.0)+ elektron Każda cząstka ma antycząstkę o tej samej masie i spinie, ale przeciwnych wszystkich liczbach kwantowych. Ogólna zasada: wszystkie oddziaływania są dozwolone, o ile nie są zabronione przez konieczność zachowania liczb kwantowych.

12 górny Kwarki powabny top Mion promieniowanie # średni czas życia masa 2,2 µs 0,106 proton GeV/c 2 elektron dolny elektronowe dziwny Leptony mionowe bottom taonowe Kwark odkrycie: C.D. Anderson i S. Neddermeyer, Caltech 1936!""#$%&'(%)$*+ *,*-./01%2)*.'3#)*+ elektron mion taon Sily bozon Z 40.0)+ bozon W Zasi!g: niesko"czony

13 górny Kwarki powabny top Bozon W promieniowanie # średni czas życia elektron s 80,4 proton GeV/c 2 masa dolny elektronowe dziwny Leptony mionowe bottom taonowe odkrycie: Kwark CERN eksperymenty UA1 i UA2 1983!""#$%&'(%)$*+ *,*-./01%2)*.'3#)*+ elektron mion taon Sily bozon Z 40.0)+ bozon W Zasi!g: niesko"czony

14 B górny Lead sheet Kwarki e + e+ e e powabny top promieniowanie # proton elektron dolny elektronowe π 0 ūu ( dd) dziwny Leptony γ γ mionowe Sily bottom taonowe elektron mion taon bozon Z bozon W K ūs π ūd Kwark!""#$%&'(%)$*+ *,*-./01%2)*.'3#)*+ Zasi!g: niesko"czony 40.0)+

15 !""#$%&'(%)$*+,&%-*+ Jest:!"#$%&'()*&+#' Teoria opisująca z niezwykłą dokładnością wyniki ogromnej liczby doświadczeń (i historię -0#0)+ Wszechświata do miliardowej części sekundy) )*21/0)+ 3%,$456+ przy użyciu niewielkiej liczby parametrów.!""#$%&'(%)$*+,$7)*+ Ostatnio Doprecyzowanie opisu Foton próżni w oparciu o dw,oś- Bozony Z mezon )*21/0)+./010)+ t!u"ciochy bezmasowy zrobione: wiadczenie, znalezienie cząstki Higgsa../010)+ Oddzia!ywanie z na!adowan# pró$ni# 5720)+ Pozostaje zrobić: 3%,$456+ Doprecyzowanie opisu próżni w oparciu o doś- wiadczenie, zbadanie własności cząstki Higgsa. " e n b Czy to już wszystko? o d o p o d Czy Model Standardowy w a r p jest teorią ostateczną? o ł a m Plazma kwarkowo-owa! bozon Higgsa? co" bardziej skomplikowanego?

16 Unifikacja z grawitacja?!"#$%&'()*&"+",)**( -+.(/01"#/+23*4(56(73(1*&"/830,)(3+8+29:( Bardzo wysokie energie Brak antymaterii? Masy Neutrin? -"#4526%?2(24*74%@A@@% 8102*5"%106#02($)% 90)/$2%/2*)-02%% 6"/2("12$2%$2%$0):0),4";%.-"/0)$0"12$0)%3%$2%-<="1"%.-"/0)$0"12$0)%3% Problem hierarchii -"#4526%/2,7% /04-">2("1)%.-"/0)$0"12$0)%*52%!"#"$%&%!'(()*%+(',*)-% Zasieg LHC Znana fizyka Ciemna Materia?

17 Wszechświat cząstek elementarnych Wszechświat się rozszerza Dawno temu Wszechświat był gęsty i gorący wypełniające go cząstki zderzały się z wielkimi energiami. czas Zachodzące wówczas procesy były konsekwencją praw fizyki oddziaływań elementarnych (w grawitacyjnym tle).

18 Wszechświat cząstek elementarnych odległości we Wszechświecie (nie w skali) Wielki Wybuch (dawniej) 0 Nowa Fizyka inflacja? bariogeneza LHC ciemna materia s 10 9 s ev ev Model Standardowy nukleosynteza rekombinacja 1min lat 10 6 ev 1 ev bezpośrednie obserwacje kosmologiczne czas (nie w skali) energia (nie w skali)

19 !"#$%&'$&(#)"&' E,5.:<&F'$&(#)"&'!"#$%&'()*(%+',-%(.()*/0$( teoria: Model Standardowy.(%$.)$>(?"*)&0:( *+,#-%./'01)2+.'*-,#+345"&(6' 7891'+,2-(#:'+"#$%#;'$&(#)""/'177,"&<.5&%"&'(51),2' "'%"-,+,2'+,2-(:"'+"#$%#;'$&(#)""=' Teoria ma problem 12*)$(2+3.&*20#*4)$5( 0&$6)*(6*,$"&*7(8"*9(*),:6*,$"&&7( ;&$"*"0;&*7(6*':()$/,"&)<( Nowa teoria =!#*'*2*(9+"$'%+)2$)0>&( =!)+.$(%"#$.&2:.*)&*( E&$4$(%F4(A&??'*( C/%$"':6$,"&*( D+2*,9+.$(.:6&*":( *-,#+345"&('+3<17%"#;-,.6' +,2-(:"'+"#$%#;'$&(#)""'-2'),&7:"#'"'>)&:(.+,%"#'%"#'&%"3"?8;2/' Weryfikacja Potrzebna: -<&A1'177,"&<8;2+&'%#8()&?%&'+,2-(:&' 1'$&-"#'),#78'$&-.'A1,1%8'*' ->1,&'B17#?8'C(&%7&)715#01D' teoria:???

20 !"#$%&'($)%*+, -.#%+/*+(',)$.%*0,123&)$4,!"#$%&"'()'*+,$-*)."/-$',$+*)01$2"/-1(2%-1(3) 1',4,5%*)#"#$%&"'*) '*+,$-) s skwark u wino selektron 25+5$,123&)4*,*,*16,(+&'/5*,&"#$%#+%)5$%2', 7,/8%9:,5*16,4+5:':+1*,5+,1*$(53,(+)$%*0, (+&+,;.2.5",<,2/*32+5+,=$&),2$,&4+>3, (+&,123&)$4,&"#$%&'($)%'125'16, 4"'()0162%&,)7)&$4#*#$0,)4$)0,(+46)+$%(-,5) +$2$)8"1"49):)/"',61$4$)1)',(;&"<0,6);98)&-1*',146)) #"#$%&"'*0=)'*+,$->')

21

22

23 W +? u d u s t d e + ν e µ + ν e µ + ν µ Z 0 e + µ + ν µ

24