Oddziaływanie pomiędzy kwarkami i leptonami -- krótki opis Modelu Standardowego
Początkowe poglądy na temat oddziaływań Ugruntowanie poglądów poprzednich- filozofia mechanistyczna Kartezjusza ciała zawsze oddziałują na siebie w sposób bezpośredni przez pchniecie lub pociągniecie W złagodzonej wersji ciała oddziałują także będąc oddalone od siebie siłami zależnymi od odległości pomiędzy nimi. Na tej podstawie Newton stworzył podstawy mechaniki i grawitacji.
Pierwsze oddziaływanie jakie poznano to oddziaływanie grawitacyjne. Newton podał prawo przyciągania dwóch mas. r MZm G = GN 3 r g r Oddziaływanie grawitacyjne jest zawsze przyciągające Dlaczego ciała oddziałują grawitacyjnie? Czemu oddziaływanie jest natychmiastowe? Czemu zawsze przyciągające? Wszystkie rysunki w tej prezentacji są skopiowane z http://perso.club-internet.fr/molaire1/e_plan.html
Odpowiedź została częściowo udzielona przez Einsteina w Ogólnej Teorii Względności. ---- masy powodują zakrzywienie przestrzeni, ---- małe ciała np. fotony poruszają się w tej zakrzywionej przestrzeni po liniach prostych zwanych liniami geodezyjnymi. BRAK KWANTOWEJ TEORII GRAWITACJI Dalej jednak nie potrafimy odpowiedzieć na dalsze pytania np. na podstawowe pytanie - dlaczego istnieje związek pomiędzy masami a strukturą przestrzeni.
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 r ϕ (x, t); r r A (x, t)
Siła jaka działa na ciało w danym punkcie w zadanej chwili czasu zależy od pola w tym punkcie w danym czasie. r r r r r r r F(x, t) = q {E(x, t) + v B(x, t)} Ładunek Natężenie pola elektrycznego Prędkość Wektor indukcji magnetycznej Powstanie Mechaniki Kwantowej dało nowe wyobrażenie o roli cząstek i pól. Do tej pory pojęcie punktu materialnego było związane z cząstką, fala kojarzyła się z polem. Dualizm korpuskularno falowy połączył te dwa punkty widzenia. W zależności od sposobu obserwacji cząstka raz bardziej przypominała punkt a innym razem falę.
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
Kwantowa wersja oddziaływań elektromagnetycznych powstała pod koniec lat 20 poprzedniego stulecia, stworzona przez Heisenberga, Diraca, Borna i Jordana. Pole elektromagnetyczne opisane w teorii Maxwella dwoma wektorowymi polami E i B stało się zbiorem cząstek, kwantów pola, zwanych FOTONAMI. Oddziaływanie pomiędzy dwoma ładunkami polega na wymianie pomiędzy nimi ogromnej liczby fotonów. elektron elektron Podstawowa teoria tłumacząca istnienie ATOMÓW wymieniany foton elektron elektron
Oddziaływanie elektromagnetyczne pomiędzy dwoma elektronami można sobie wyobrazić jako ciągłą wymianę FOTONÓW Oddziaływanie może być przyciągające lub odpychające. Można to sobie wyobrazić odpowiednio jako wymianę bumerangu pomiędzy dwoma osobnikami na łódkach (Rys. 1) lub piłki (Rys. 2). Rys.1 Rys.2
Były jednak problemy z taką teorią zamknięte pętle dawały nieskończenie wielkie wkłady Zamknięta pętla daje nieskończony wkład Freeman Dyson S.Tomonaga, J.Schwinger,R. Feynman,F.Dyson pokazali w 1947 roku, że można wyeliminować te nieskończoności wprowadzając procedurę renormalizacji. NN - 1965
Elektrodynamika Kwantowa (Quantum ElectroDynamics = QED) jest jedną z najbardziej precyzyjnych teorii stworzonych przez człowieka. Wykorzystując nowy sposób prezentacji oddziaływania pomiędzy atomami można inaczej spoglądać na wnętrze atomów. Pomiędzy dodatnio naładowanym jądrem a elektronami są bez przerwy wymieniane fotony. Na rysunku obok jest to przedstawione jako migotające tło w którym ani elektrony ani jądro nie są widoczne. Taki sam mechanizm można zastosować dla wiązań pomiędzy atomami, a dalej dla związków chemicznych, nawet bardzo skomplikowanych. Tak więc, QED jest podstawową teorią potrzebną do wyjaśnienia naszej egzystencji.
Następne to oddziaływanie silne Jest ono odpowiedzialne za łączenie protonów i neutronów w jądrach atomowych Ale protony i neutrony zbudowane są z kwarków: Dlatego też, oddziaływanie pomiędzy nukleonami powinno być wyjaśnione przez oddziaływanie kwarków. 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
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
Przypomnijmy więc budowę barionów, antybarionów i mezonów zbudowanych z kolorowych kwarków: RED + GREEN + BLUE = CYAN + MAGENTA + YELLOW = WHITE red quark + green quark + blue quark = neutral baryon red quark + cyan antiquark = neutral meson green quark + magenta antiquark = neutral meson blue quark + yellow antiquark = neutral meson
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 się 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 p 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.
Po wykryciu rozpadu b 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
Oddziaływanie słabe różni się znacznie od dwóch poprzednich oddziaływań. Jest po pierwsze wiele milionów razy słabsze, a oprócz tego nie spełnia symetrii do których byliśmy bardzo przyzwyczajeni: symetrii odbicia zwierciadlanego P, symetrii zamiany cząstek na antycząstki C, T.D.Lee, C.N.Yang (1956) [NN 1957] Wu (1957) nie jest też symetryczne ze względu na obydwie te symetrie dokonane łączne CP. J.W. Cronin V.L.Fitch (1964) [NN dla Fitcha 1980] Pełną teorię oddziaływań oddziaływań słabych podali w 1967 roku Gleshow, Weinberg i Salam [NN 1979]. G. t Hooft, M.Veltman pokazali w latach 1971 1972, że teoria elektrosłaba jest renormalizowalna [NN 1999].
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 Cząstka Z jest elektrycznie obojętna. Nazywana jest czasami ciężkim fotonem. Przy oddziaływaniu nie zmienia zapachu kwarków. W Cząstka powoduje rozpad neutronu. + W przyczynia się do rozpadu protonu Cząstki W oddziałują także z kwarkami powodując rozpad beta.
Trzy oddziaływania- silne, elektromagnetyczne i słabe są w chwili obecnej opisywane przez teorię nazywaną MODELEM STANDARDOWYM (MS). Model ten unifikuje oddziaływania słabe i elektromagnetyczne. Nawet przyjęła się specjalna nazwa oddziaływania elektrosłabe. Oddziaływania silne są dołączone, ale nie tworzą nierozerwalnej całości z resztą. MS świetnie zgadza się z doświadczeniem, ze wszystkich jego elementów tylko jeden czeka jeszcze na doświadczalnie odkrycie - cząstka Higgsa. Pomimo iż MS bardzo dobrze zgadza się z doświadczeniem, nie uważamy go za ostateczna teorię oddziaływań elementarnych. Za odkrycie bozonów Z i W w 1983 roku C.Rubia i S.Van der Merr otrzymali nagrodę Nobla [NN 1983]
Tablica Kwarków i Leptonów
W chwili obecnej mamy, rządzące się własnymi prawami, trzy oddziaływania ----- ujednolicone oddziaływania elektrosłabe, ----- oddziaływania silne, ----- oddziaływania grawitacyjne. Istnieją próby połączenia oddziaływań elekrosłabych i silnych i stworzenie zunifikowanej teorii oddziaływań elektrosłabo jądrowych. Od wielu lat chcemy też stworzyć kwantowy opis oddziaływań grawitacyjnych i stworzyć wspólną teorię grawitacyjno elektrosłabo jądrową.
Hipotetyczna unifikacja oddziaływań elektrosłabych i silnych zachodzi przy energii 16 rzędu 10 GeV. Unifikacja oddziaływań elektrojądrowych i grawitacyjnych ma miejsce przy jeszcze większej 19 energii, 10 GeV. Ta skala energii nosi nazwę skali PLANCKA. Skale energii w elektronovoltach: jonizacja atomu wodoru ---- 13.6 ev, 6 energia dezintegracji deuteronu --- 2.6 x 10 ev, 8 energia rozbicia protonu ---- 3 x 10 ev 12 energie obecnie dostępne w akceleratorach --- 10 ev, 25 unifikacja oddziaływań elektrojądrowych --- 10 ev, skala Plancka ------------------ 28 ev. 10
W skali Plancka, co odpowiada skali odległości rzędu 10 33 cm, teoria superstrun przewiduje, że obiekty elementarne to zamknięte lub otwarte struny. Te otwarte lub zamknięte struny nie są obiektami w naszej 4 wymiarowej przestrzeni. Teoria przewiduje, że struny to obiekty w 10 wymiarowej przestrzeni. Sześć przestrzennych wymiarów jest ukrytych i zawartych w bardzo małych odległościach. Nie są więc one obserwowane.
W teorii strun pojawia się dużo nowych cząstek. Każdy sposób drgania struny (moda) odpowiada jednej cząstce. Każda struna może drgać na wiele sposobów. Im więcej węzłów ma taka drgająca struna tym bardziej masywna cząstka odpowiada temu drganiu.