Wstęp do fizyki cząstek elementarnych

Transkrypt

1 Wstęp do fizyki cząstek elementarnych Ewa Rondio

2 cząstki elementarne krótka historia pierwsze cząstki próby klasyfikacji troche o liczbach kwantowych kolor uwięzienie kwarków obecny stan wiedzy oddziaływania ł i składniki Modelu Standartowego

3

4 Krótka historia 1905 A. Einstein wyjaśnił obserwowany efekt fotoelektryczny postulując, że światło jest strumieniem kwantów energii fotony E γ = hv 1923 Compton badał rozpraszanie fotonów na elektronach Fotony niosą nie tylko energię, ale i pęd -jak cząstki. Rys F. Żarnecki badanie cząstek zderzenia

5 rozpraszanie Rutherforda hipotez jądra atomowego stad już blisko do protonu, potem neutron...

6 pierwszy etap foton, elektorn, jądro atomu potem jego składniki: proton i neutron potem cząstki obsewowane w promieniowaniu kosmicznym przyspieszanie cząstek i produkcja nowych

7

8 produkcja nowych cząstek w zderzeniach cząstki naładowane można przyspieszac, kierować ich ruchem i zderzać z tarczą najlepsze pociski to protony lub elektrony (sa naładowane i trwałe, mozna je łatwo zbierac i przyspieszać) obserwujemy co powstaje w miarę wzrostu dostępnych energii można produkować coraz cięższe cząstki

9 Zderzenie dwóch obiektów odużej energii Powstaje wiele obiektów, niektóre zupełnie inne niż ż te które się zderzyły

10 pojawiają się coraz to nowe cząstki LHC

11 coraz więcej cząstek elementarych... cząstki o spinie całkowitym MEZONY π +,π,π 0 cząstki o spinie połówkowym BARIONY p,n K +,K,K 0,K 0 Λ,Σ +,Σ,Σ 0 ρ +,ρ,ρ 0 Ξ +,Ξ,Ξ 0 Ω,... η,ω...,, potrzeba uporzadkowania, może te cząstki mają bardziej elementarne składniki????

12 propozycja Gel-Manna:

13 q=- 1/3 q=+2/3 q=-1/3 wszystkie znane wówczas sząstki można poskładać z 3 cegiełek o dość dziwnych własnościach między innymi ich ładumek musi być ułamkowy (1/3 i 2/3) np. proton =uud u d s

14 hipoteza wydawała się dziwna, ale wprowadzała porządek i miała bardzo ciekawe własności symetrii mezony (spin 0,1..) składają się z pary kwark- anty kwark bariony (spin ½, 3/2...) składają się z trzech kwarków wszystkie cząstki dało się wpisac w takie rodziny (8, 12..), ale nie wszystkie miejsca były pełne

15 taki model pozwala opisac zachowanie cząstek i wyjaśnić ś ć niektóre kó ich własnościł ś przykład: taki rozpad możliwy jeśli wystarczy energii po sprawdzeniu mas wiemy, że nie wystarczy dlatego kwarki s musza zniknać to wydłuża ż proces

16 jak budujemy, tesujemy hipotezy czy dla każdej cząskti znajdujemy miejsce czy ten opis nie łamie i zadnych podstawowych praw? tu okazało się, że jest problem: istniałacząskta Δ ++ = u u u jej zbudowanie wymaga 3 kwarków takich samych (u) równolegle ustawionych spinach (spin cząstki jest 3/2) to jest sprzeczne z zakazem Pauliego (2 fermiony nie moga sie znajdować ć w tym samym stanie) trzeba wprowadzic liczbe kwantową którą będą sie różnić!!!!

17 Δ ++ aby cząskta mogła istnić kwark u musi występować ć w trzech h wersjach przez analogie do optyki dla liczby kwantowej rozróżniającej te 3 wersje przyjęto nazwę KOLOR kwarki występują w 3 kolorach obserwowane cząstki bariony i mezony nie niosą liczby kwantowej koloru są BIAŁE takie wyjaśnienie uratowało model, a przy okazji dostarczyło argumentu dlaczegow naturze obserwujemy tylko trojki krarków iparykwarkantykwark kwark-antykwark obserwowane cząskti są białe jak to wyjaśnić???

18 kwark ma kolor, oddiaływania między kwarkami to oddziaływania obiektów kolorowych barion = 3kwarki biały jesli odsuwamy kwarki naciąga sie miedzy nimi struna kolorowa im dłuższa struna tym większą ma energię mezon kwarkantykwark białył przy pewnej odległości energia struny bardzo duża może się zamienic na masę nowej pary kwark-antykwark E = mc 2 t t i k ki któ t k i ć teraz mamy stare i nowe kwarki, które mogą tak się zgrupować aby powstały 2 białe cząstki

19

20 czy inne obserwacje potwierdzają model kwarków i istnienie koloru? dopuszczenie cząstek składających sie z 3 kwarków różniacych sie tylko kolorem pozwala opisać cząstke i Δ ++ = uuu Δ = ddd dla 3 rodzajów kwarków należysię też spodziewać cząstki zbudowanye z sss gdy wprowadzano kwarki takiej cząstki nie znano jej masa została przewidziana na podstawie modelu i w krótkim czsie ją znaleziono jest to cząstka Ω jej obserwacja bardzo wzmocniła model kwarków

21 barion = 3 kwarki biały mezon kwark-antykwark biały bariony i mezony uczestniczą w oddziaływaniach silnych = hadrony dalsze badania wykazały, że jest jeszcze czwarty kwark, potem odkryto jeszcze 2 tak wiec mamy 6 kwarków tworzacych 3 pary : ładunek -1/3 i ładunek 2/3 każdy kwark występuje w 3 kolorach z takiego zestawu kwarków można zbudować wszystkie znane dziś HADRONY

22 dołożenie czwartego kwarka powoduje, że dotychczasowe rodziny cząstek poszerzają się (nowa oś c )

23 czy to wszystkie cząstki ą elementarne?? wiemy, że NIE elektron nie jest hadronem, nie składa się z kwarków

24 LEPTONY cząstki, które nie biorą udziału w oddziaływaniach silnych (biorą w słabych i jeśli mają ładunek to w elektro-magnetycznych) pierwszy odkryty lepton elektron teraz wiemy, że leptonów jest 6, tworzą pary: naładowany neutralny (neutrino) o nich będzie poźniej

25 czy teraz juz may wszystkie składniki? wiemy, że nie, bo w naszej klasyfikacji nie ma FOTONU to nośnik pola (elektro-magnetycznego) cząstki komunikiją się przez wymianę cząstki przenoszącej oddzalywanie prezentacja graficzna: Diagramy Feynmana

26 oddziaływanie to wymiana nośnika =kwantupola

27 potwierdzenie istnienia koloru pomiar stosunku przekrojów czynnych w oddziaływaniu e+e-e

28

29

30 Model Standardowy opis cząstek i ich oddziaływań To są wszystkie (obecnie znane) cząstki elementarne Podlegają tym samym UNIWERSALNYM prawom fizyki D. Kiełczewska, wykład 1 μ e ν ν μ s u u u d d d c c c ν s e t t b b t s b ν τ

31 Model Standardowy w kolorach Generacja I Generacja II Generacja III Leptony ν e e ν μ μ ντ τ Kwarki u u u c c c t t t d d d s s s b b b Bosony pośredniczące Z 0 W + W γ gluony D. Kiełczewska, wykład 1