Fizyka cząstek elementarnych

HTML
DOWNLOAD

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Fizyka cząstek elementarnych"

Maksymilian Kołodziejczyk
7 lat temu
Przeglądów:

1 ykład V Fizyka cząstk lmntanych Klasyfikacja cząstk lmntanych szystki znan cząstki lmntan są fmionami lub bozonami. Fmiony mają wwnętzy momnt ędu, czyli sin, ołówkowy, tj. wynoszący 3 5 h,,,, gdzi jst stałą Plancka, i odlgają statystyc Fmi- Diaca, a bozony mają siny całkowit wynosząc,,, 3, i odlgają statystyc Bos-instina. Podlgani statystyc Fmi-Diaca oznacza, w szczgólności, obowiązywani zakazu Pauligo, głoszącgo, ż dwa fmiony (a tym badzij tzy i więcj) ni mogą wystęować w tym samym stani kwantowym. Bozony natomiast ni odlgają zakazowi Pauligo. Twidzni o związku sinu z statystyką, któ dowodzi się na gunci kwantowj toii ola, okazuj, ż gdyby cząstki o sini całkowitym odlgały zakazowi Pauligo, to nauszona byłaby fundamntalna zasada zyczynowości, stwidzająca, ż zyczyna zawsz ozdza skutk. Byłoby odobni, gdyby cząstki o sini ułamkowym ni odlgały zakazowi Pauligo. Każdj cząstc lmntanj odowiada antycząstka o tj samj masi, któj wszlki ładunki są zciwn niż cząstki. Tak n. dodatnio naładowanmu otonowi odowiada antyoton, mający tę samą co oton masę, lcz ujmny ładunk lktyczny. zyadku cząstk ni niosących żadnych ładunków, tzw. cząstk istotni obojętnych jak foton, antycząstka jst tożsama z cząstką. Istnini antycząstk wiąż się z faktm, ż ównani dyssyjn okślając ngię cząstki o masi m jako funkcję ędu jst zwykl ostaci m o dwóch ozwiązaniach m, z któych ujmn zyisujmy antycząstkom. Cząstki lmntan są stabiln i nistabiln. Stabiln ni ulgają ozadowi, a dokładnij, wntualngo ozadu ni udało się zajstować, bo n. czas życia jst dłuższy niż wik wszchświata. Zaldwi kilka cząstk lkton, oton, nutino jst stabilnych, ozostał są nistabiln jak choćby nuton odlgający ozadowi bta minus: n. Czasy życia cząstk wahają się w badzo szokim zaksi. Śdni czas życia nutonu wynosi ok. 5 minut, a tzw. zonansów hadonowych -3 s.

2 Fizyka cząstk lmntanych Pawo ozadu Pawo ozadu wyowadzamy ozważając N( nistabilnych cząstk i zakładając, ż liczba cząstk, któ ozadły się w intwal czasu od t do t+dt, jst oocjonalna do liczby N( i dt tzn. dn N dt, gdzi jst wną dodatnią stałą oocjonalności, któą wyznaczymy óźnij. Znak minus oznacza, ż liczba N ubywa w czasi. Rozwiązując ost ównani óżniczkow z waunkim oczątkowym N(t=)= N, t znajdujmy N( N. Pawdoodobiństwo, ż cząstka zżyj do czasu t (awdoodobiństwo ztwania - suvival obability) wynosi N( t zatm Ps (. Zauważmy, ż P ( t ) N s, a P s ( t ). Pawdoodobiństwo ozadu cząstki w intwal czasu od do t jst awdoodobiństwm dołniającym do P s ( i wynosi (. Gęstość awdoodobiństwa (, ż cząstka ozadni się w czasi między t a t+dt, znajdujmy jako dps ( ( dt Ps ( t d Ps ( dt. dt A zatm dps ( t (. dt idzimy, ż zachodzi dt (, czyli gęstość awdoodobiństwa ( jst oawni unomowana. Śdni czas życia cząstki okśla fomuła t dt t ( dt t, więc aamt jst właśni odwotnością śdnigo czasu życia. Pawdoodobiństwo P s ( i gęstość awdoodobiństwa P( zaisujmy jako t Ps (, (. t P s

3 Fizyka cząstk lmntanych Siły mikoświata mikoświci wystęują czty odzaj sił: o gawitacyjn, o lktomagntyczn, o siln, o słab. Oddziaływania gawitacyjn mają niskończni długi zasięg, więc wystęują zaówno w miko- jak i w makoświci. ngia otncjalna będąca wynikim oddziaływania dwóch unktowych obiktów o masi m wynosi m Gm c c g G g, c 3 gdzi G jst stałą gawitacyjną, G 7 m kg s, c jst iloczynm stałj Plancka i ędkości światła, 4 c 3 J m MV fm, Gm a g jst bzwymiaową stałą okślającą intnsywność c oddziaływania. Jśli oddziaływującymi obiktami są dwa otony o masi 7 m,7 kg, to 4 g. toii kwantowj, któj dotychczas ni udało się sfomułować, nośnikim oddziaływania gawitacyjngo jst hiottyczny gawiton istotni nutalny, bzmasowy bozon o sini. Oddziaływania lktomagntyczn są odobni jak oddziaływania gawitacyjn niskończni długo zasięgow i odobni wystęują w mikoi makoświci. ngia otncjalna, będąca wynikim oddziaływania dwóch lmntanych ładunków, wynosi (w układzi Gaussa) c c M, c gdzi. lktodynamic kwantowj nośnikim 37 oddziaływania jst foton istotni nutalny, bzmasowy bozon o sini. idzimy, ż w zyadku oddziaływania dwóch otonów, ngia lktomagntyczna jst 38 zędów wilkości większa od gawitacyjnj. 3

4 Fizyka cząstk lmntanych Oddziaływania siln wystęują jdyni na odlgłościach zędu ozmiaów 3 otonu czyli fm cm. Oddziaływani to jst odowidzialn za wiązani nuklonów w jąda atomow. Masa nuklonu tż jst gnowana zz oddziaływania siln, jst nijako ngią otncjalną, któą zaiszmy na odobiństwo ngii lktomagntycznj jako c s s, gdzi s jst stałą szężnia oddziaływań silnych. Jj wilkość oszacujmy zyjmując, ż s m, gdy = fm. Pzyjmując za masę otonu m watość GV, otzymujmy s 5. idzimy, ż s / M 7. toii kwantowj, nośnikim oddziaływania silngo są gluony bzmasow bozony o sini. ngia lktomagntyczna M na odlgłości = fm wynosi,4 MV, co odowiada, mającj zyuszczalni ochodzni lktomagntyczn, óżnicy masy nutonu i otonu, m m 939,6 938,3, 3MV. n Oddziaływania słab odowidzialn są w szczgólności za ozady licznych cząstk lmntanych, n. nutonu. toii kwantowj, nośnikim oddziaływania słabgo są bozony, Z o sini. Poniważ masa bozonu wynosi m 8 GV, a bozonu Z jst jszcz większa mz 9GV, oddziaływani to ma badzo kótki, nawt mikoskoowo, zasięg, wynoszący c 3,5 fm. m Jśli ngię otncjalną oddziaływania słabgo zaisać na odobiństwo ngii otncjalnj, odowiadającj kanowanmu otncjałowi Coulomba tj. jako c, wówczas stała szężnia wynosi ok. i jst większa od Jdnak dla = fm, słaba ngia otncjalna jst zędu -7 MV, co jst skutkim badzo małgo zasięgu sił słabych. 4

5 Fizyka cząstk lmntanych Tabla odsumowuj główn chaaktystyki cztch sił mikoświata. oddziaływani nośnik stała szężnia α zasięg 4 gawitacyjn gawiton lktomagntyczn foton 3 siln gluon cm słab ±, Z 6 cm Cząstki lmntan dzilimy na wyminion w tabli nośniki oddziaływań i cząstki matii. Cząstki lmntan klasyfikowan są główni z względu na oddziaływania jakim odlgają. Cząstki matii oddziaływując silni nazywan są hadonami, natomiast cząstki, któ ni doświadczają tgo odziaływania noszą nazwę ltonów. Zaówno hadony, jak i ltony oddziałują słabo, a jśli są obdazon ładunkami lktycznymi oddziałują tż lktomagntyczni. szystki cząstki odlgają tż zawn gawitacji, któa w świci cząstk jst jdnak tak słaba, ż niwykywalna. Hadony śód hadonów, któych znamy kilkast, mamy fmiony i bozony. Fmionow hadony, w szczgólności składniki jąda atomowgo otony i nutony, zwan łączni nuklonami, okśla się jako baiony. Niosą on addytywny ładunk liczbę baionową, któa wdl naszj wsółczsnj widzy jst, tak jak ładunk lktyczny, wilkością ściśl zachowywaną. Liczba baionowa wszystkich baionów wynosi, zaś antybaionów. Hadony będąc bozonami są okślan jako mzony. Niosą on zową liczbę baionową. Do mzonów zaliczamy najlżjsz hadony iony,,. 5

6 Fizyka cząstk lmntanych Rozważmy zachowani liczby baionowj w kilku akcjach. Liczba baionowa stanu oczątkowgo ocsu n wynosi. Poniważ ion ma zową liczbę baionową, więc liczba baionowa stanu końcowgo ówna jst takż. zyadku ocsu fotoodukcji ionu n, liczba baionowa stanu oczątkowgo i końcowgo wynosi. Podobni jst w zyadku ozadu, bowim cząstka jst baionm. Antybaiony, jak antyoton, niosą ładunk baionowy ówny, wic liczba baionowa stanu oczątkowgo akcji wynosi zo, tak jak i liczba baionowa stanu końcowgo. śód hadonów zaówno baionów i mzonów wystęują hadony okślano jako dziwn. Niosą on addytywny ładunk zwany dziwnością, któy jst zachowywany w oddziaływaniach silnych, lcz nauszany w oddziaływaniach słabych. Najlżjszymi mzonami dziwnymi są kaony. Dziwn baiony to hiony, z któych najlżjszym jst cząstka. Dziwność zostani szzj omówiona zy okazji modlu kwakowgo hadonów. Ltony Ltony są fmionami o sini /, ozbawionymi stuktuy wwnętznj, są wdl obcnj widzy awdziwi lmntan. Ltony wystęują aami iwszą twozy najwczśnij oznany lton czyli lkton oaz nutino lktonow:, ). ( Istnini nutina ostulował olfgang Pauli w 93 oku na odstawi analizy ozadu bta minus takigo jak n. ozad izotou wodou tytu na hl 3, zachodzącgo wdl schmatu: 3 H 3 H. Obswując hl 3 i lkton, stwidzamy nizachowani ngii. Pauli doszdł do wniosku, ż bakującą ngię unosi lkka, nutalna cząstka, któa ni jst jstowana. nico Fmi nazwał cząstkę nutinm. Zgodni z wsółczsną tminologią w ozadzi bta minus wystęuj antynutino lktonow. Poniważ lkton jst naładowany lktyczni oddziałuj lktomagntyczni, natomiast nutino jdyni słabo, co badzo utudnia jgo dtkcję. Bzośdnio udało się nutino zajstować doio w 956 oku, obswując odwotny ocs bta lus: n. 6

7 Fizyka cząstk lmntanych Dugi lton mion o masi 5, 7 MV odkyto w 936 oku. Obswując ozady mionu, stwidzono tż obcność nutin. Ni było jdnak jasn czy mamy do czyninia z jdnym czy z dwoma tyami nutin. Doio w 96 oku wykonano ksymnt, w któym stwidzono, ż nutina ochodząc z ozadów ujmnych mionów odukują oddziałując z matią ni lktony, lcz miony. Zachodziła bowim akcja tyu n. oku 974 zaobswowano tzci lton tau o masi 777 MV. Zaostulowano tż istnini nutina tauonowgo, któ bzośdnio zajstowano w oku. Lista i własności ltonów odsumowuj tabla, w któj lktonową, mionową i tauonową liczbę ltonową. l l l,, oznaczają lton masa [MV] czas życia [s] ładunk lktyczny l l l,5 *) **) 5,7 *), -6 **) 777 *),9-3 **) *) Nidawno wykonan ośdni omiay sugują, ż nutina mają niwilką, lcz nizową masę zędu V, a nawt mnijszą. **) Najnowsz odkycia okazują, ż w zyodzi wystęuj zjawisko oscylacji nutin, czyli samoistn zkształcani się nutin jdngo tyu w dugi ty. Tudno więc mówić o niskończonym czasi życia nutina dango tyu. Ltonom zyisuj się liczbę ltonową, a dokładnij ltonową liczbę lktonową, mionową lub tauonową. Jak okazuj tabla, wynosi ona lub dla ltonów oaz lub dla antyltonów. akcjach w któych uczstniczą ltony, stwidzono zachowani liczby ltonowj, zy czym każda liczba zachowywana jst oddzilni. ocsi ozadu mionu mamy w oczątkowym stani l i l oaz t sam liczby w stani końcowym. 7

Podobne dokumenty

Atom. Doświadczenie Geigera-Marsdena

Atom. Doświadczenie Geigera-Marsdena Wykład III Atom Badania zmizając do poznania i zozui stuktuy atomu pzyczyniły się w ogomnj miz do ukształtowania mtod fizyki kwantowj tak doświadczalnj jak i totycznj Opisana tż została i wyjaśniona budowa