Elementy Fizyki Jądrowej Wykład 5 cząstki elementarne i oddzialywania
atom co jest elementarne? jądro nukleon 10-10 m 10-14 m 10-15 m elektron kwark brak struktury!
elementarność... 1897 elektron (J.J.Thomson) 1905 foton (A.Einstein) 1911 jądro (E.Rutherford) 1919 proton (E.Rutherford) 1928 pozyton (P.A.M.Dirac) 1931 neutrino (W.Pauli) 1932 neutron (J.Chadwick)
elektron Thomson (1895) promienie katodowe elektroliza emisja elektronów czas życia: masa: ładunek: z = -1 barionowy: B = 0 leptonowy: L = 1 spin: J = ½ moment magnetyczny: stabilny m = 0.511 MeV e mec 2 P.A.M.Dirac
proton Rutherford (1919) emisja po reakcji + N czas życia: masa: ładunek: z = 1 barionowy: B = 1 leptonowy: L = 0 spin: J = ½ moment magnetyczny: stabilny m = 938.27 MeV 2.79 e m p c 2 struktura?
foton A.Einstein (1905) efekt fotoelektryczny czas życia: stabilny masa: m = 0 ładunek: z = 0 barionowy: B = 0 leptonowy: L = 0 spin: J = 1 energia, pęd: E p c
neutron Chadwick (1930) czas życia: = 14.8 min, n p + e + e masa: m = 939.57 MeV ładunek: z = 0 barionowy: B = 1 leptonowy: L = 0 spin: J = ½ moment magnetyczny: 1.91 e m p c 2
pozyton P.A.M.Dirac (1928) relatywistyczne równanie falowe spin moment magnetyczny oraz energia: 2 4 2 2 E me c p c mc 2 0 -mc 2 cząstka (elektron) dziura (pozyton) Carl Anderson (1932) odkrycie w komorze mgłowej z polem B
Kreacja pary elektron-pozyton pozyton foton elektron h min = 2m e c 2 1.02 MeV
lawiny fotonowo-elektronowe
anihilacja foton elektron pozyton foton hamowanie pozytonium anihilacja 2 fotony E 0.5 MeV
neutrino Pauli (1931) przewidział istnienie na podstawie analizy rozpadu czas życia: masa: stabilny m = 0? (< 3 10 6 MeV) ładunek: z = 0 barionowy: B = 0 leptonowy: L = 1 spin: J = ½ moment magnetyczny: = 0 Reines, Cowan (1957) odkryli neutrino
więcej cząstek... 1938 miony (C.Anderson i S.Neddermeyer promieniowanie kosmiczne) m 200 m e = (105 MeV) oraz + (antycząstka) są nietrwałe czas życia: 2.5 10-6 s rozpady mionów: 1947, fotoemulsja: e + + e + e + + e + 1962 dwa rodzaje neutrin: elektronowe i mionowe: (e, e ), (, )... a potem jeszcze taonowe (, )
odkrycie taonu SPEAR (energia zderzenia w środku masy = 4 GeV) e + + e + + + + + e + + e +
więcej cząstek... Mezony (piony) m 150 MeV Powell (1947) promienie kosmiczne + emulsja jądrowa + + + + + e + + e + (e + + e + ) + e + Istnieje oraz + (antycząstka) e
0 w komorze pęcherzykowej + Xe 0 +... 0 + T = 3.5 GeV
pierwsza fotografia cząstki V o wtórne kosmiczne, h = 0 komora mgłowa B = 0.35 T, (Manchester Univ.) K o G.D.Rochester i C.C.Butler; Nature, 160, 855, (1947) π - π + Mezon K 0 cząstka dziwna m V = 500 600 MeV = 10-11 10-9 s
wśród produktów rozpadu też: protony p + 180 MeV proton o p - 190 MeV pion m V 1130 MeV p π - Hiperon 0 cząstka dziwna
K + e + e p hiperon omega o e + K + p + K + + K o p 0 = 5 GeV/c o e o + K o o o o + o p K o p + Dziwność = -3 o 2 2 ( e + e + ) N.Samios, BNL (1964) komora Glasera H 2, 80
Model Standardowy Do chwili obecnej odkryto około dwieście cząstek (z których większość nie jest cząstkami elementarnymi). Model Standardowy teoria opisująca wszystkie cząstki i oddziaływania między nimi za pomocą: 6 kwarków 6 leptonów cząstek przenoszących oddziaływania Każdej cząstce odpowiada antycząstka
kwarki (spin = ½) i leptony (spin = ½) aromat (flavour) u up górny d down dolny c charm powabny s strange dziwny t top wierzchni b bottom spodni masa [MeV] 1.5 4.5 5.0 8.5 1.0 1.4 10 3 80 155 174. 10 3 4.0 4.5 10 3 ładunek lepton masa [MeV] +2/3 e - elektron = -1/3 ν - neutrino elektronowe +2/3 μ -mion = 2.20 10-6 s -1/3 ν μ neutrino mionowe +2/3 τ - taon = 2.91 10-13 s -1/3 ν τ neutrino taonowe ładunek 0.511-1 0 < 3.0 10-6 0 105.7-1 0 < 0.19 0 1777.0-1 0 < 18.2 0 Cząstki z różnych rodzin różnią się zapachem. PPb 2002
Hadrony Z kwarków zbudowane są hadrony: z trzech kwarków bariony z kwarku i antykwarku - mezony
Większość masy hadronu to energia wiązania kwarków. Bariony
Masa hadronu Kupujemy 1 kg jabłek... (masa protonu 1 GeV)... a w domu z torby wysypujemy 3 maleńkie jabłuszka tylko 12 g! (masa kwarków 0,012 GeV)
ud ud us Mezony
Leptony Leptony = (e, e ), (, ), (, ) + antycząstki są fermionami oddziałujacymi słabo, Liczba leptonowa: L e L L e, e +1, +1, +1 e +, e 1 +, 1 +, 1 inne 0 inne 0 inne 0 Cząstki należące do różnych rodzin różnią się zapachem.
Rozpady leptonów Elektron i 3 rodzaje neutrin trwałe Mion i taon - nietrwałe Liczby elektronowe, mionowe i taonowe są zawsze zachowane, gdy ciężki lepton rozpada się na mniejsze leptony. Czy te rozpady są możliwe? Liczba mionowa niezachowana Energia niezachowana
Oddziaływania Wirtualne cząstki przenoszące oddziaływanie Zasada nieoznaczoności: E t Próżnia wypełniona jest powstającymi i znikającymi cząstkami wirtualnymi. czas 1 cząstka wysyła i pochłania cząstki wirtualne 1 cząstka wysyła, a 2 cząstka pochłania cząstki wirtualne
Odziaływanie elektromagnetyczne Działa na ładunki elektryczne Odpowiedzialne za wiązania chemiczne Nośnik foton ( ) Zasięg nieskończony
Odziaływanie silne Działa na ładunki kolorowe Odpowiedzialne za wiązanie kwarków w barionach Nośniki gluony Zasięg 10-15 m (odległość typowa dla kwarków w nukleonie)
Odziaływanie silne Kwarki mają ładunek kolorowy G B R R Istnieją tylko cząstki o całkowitym ładunku kolorowym równym zeru. B G Uwięzienie kwarków (kolorów)
Oddziaływanie między elektronami maleje wraz z odległością Oddziaływanie między kwarkami rośnie wraz z odległością
Uwięzienie kwarków Oddziaływanie między kwarkami rośnie wraz z odległością. Próba rozdzielenia kwarków prowadzi do wytworzenia nowej pary kwark-antykwark (jest to proces korzystniejszy energetycznie). mezon D - mezon D + mezon c E 2 mc Zamiana energii na masę
Oddziaływanie kolorowe Gluony muszą mieć ładunek kolorowy oraz ładunek antykolorowy, gdyż zmieniają one zawsze dany kolor w antykolor. q g q Ładunek kolorowy jest zawsze zachowany. 8 gluonów - 8 stanów kolorów superoktet (SU3)
Oddziaływanie słabe Odpowiedzialne za rozpad ciężkich kwarków i leptonów na lżejsze kwarki i leptony (zmiana zapachu). Cząstki przenoszące oddziaływanie słabe to bozony: W +, W - i Z 0. Masy W +, W - i Z 0 duże (~80 GeV) Zasięg mały Oddziaływanie słabe i elektromagnetyczne opisuje jednolita teoria oddziaływań elektrosłabych.
Oddziaływania elektrosłabe Małe odległości (10-18 m) wielkie energie Oddziaływania słabe i elektromagnetyczne porównywalne. Większe odległości (3 10-17 m) Oddziaływanie słabe jest 10-4 razy mniejsze niż elektromagnetyczne
Słaby rozpad e W e e e e e W rozpadzie pośredniczy bozon W -
Oddziaływanie grawitacyjne Działa na każde ciało Odpowiedzialne za istnienie planet, gwiazd, galaktyk... Nośnik (hipotetyczny) grawiton? Zasięg nieskończony Brak teorii, która wiąże oddziaływanie grawitacyjne z innymi rodzajami oddziaływań jeden z głównych nierozwiązanych problemów kosmologii.
Względna siła czterech oddziaływań (rzędy wielkości sił działających między dwoma protonami w bezpośrednim kontakcie): 1 : silne 10-2 : elektromagnetyczne 10-7 : słabe 10-39 : grawitacyjne