Wykład II PODSTAWOWE SKŁADNIKI MATERII (Od poglądów Starożytnych Greków po LHC) Człowiek zajmujący się nauką nigdy nie zrozumie, dlaczego miałby wierzyć w pewne opinie tylko dlatego, że znajdują się one w jakiejś książce. (...) Nigdy również nie uzna swych własnych wyników za prawdę ostateczną. A.Einstein w liście do J.Lee,1945 Marek Zrałek Zakład Teorii Pola i Cząstek Elementarnych Instytut Fizyki Uniwersytet Śląski Katowice, 2007
Większość rysunków w tym opracowaniu zostało skopiowanych z poniższych witryn internetowych http://www.interactions.org/linearcollider/ http://perso.club-internet.fr/molaire1/e_plan.html http://quarknet.fnal.gov/index_tchr.shtml http://www.przygodazczastkami.org/ http://www.aps.org/units/dpf/quarks_unbound/physq.html http://education.jlab.org/qa/discover_ele.html http://particleadventure.org/particleadventure/other/education/index.html http://wwwlapp.in2p3.fr/neutrinos/ http://education.jlab.org/beamsactivity/
Pytanie, czym są elementarne składniki materii było stawiane od samych początków rozwoju myśli ludzkiej. Zajmowali się nimi fizycy, filozofowie i dziennikarze. Pytanie to było zadawane przez filozofów greckich. Od tego czasu mamy bowiem pisane przekazy. Poglądach starożytnych Greków: Filozofowie jońscy (Tales, Anaksymander, Anaksymenes, Heraklit) ----- cztery żywioły (ziemia,ogień, powietrze, woda), Atomiści (Demokryt, Leukipos, Epikur) ---- istnieją niepodzielne atomy, Platon i jego uczniowie ---- substancje składają się z brył, zwanych bryłami platońskimi, Arystoteles ---- substancja to ciągłe tworzywo Prawie 2000 lat przetrwał pogląd tego najbardziej wpływowego a więc Arystotelesa.
Pierwsze koncepcje składu materii -Żywioły Ogień Woda Powietrze Ziemia
Wydaje się, że korpuskularność materii nie obca była Newtonowi (1643 1727). Rozpatrywał w swojej teorii dynamiki punkty materialne. Jawnie mówił o świetle jako zbiorze korpuskuł. Dalsze poglądy (XVII i XIX wiek) na temat budowy materii były związane z badaniami chemicznymi ( łączenie różnych substancji i tworzenie nowych) i poszukiwaniem wyjaśnienia natury ciepła i spalania. Pojęcie pierwiastka sprecyzował chemik angielski Robert Boyle (1627-1692). Pierwiastki chemiczne łączą się ze sobą w określony związek chemiczny zawsze w tym samym stosunku wagowym, zatem stosunek mas pierwiastków tworzących dany związek chemiczny jest wielkością stałą. Jeżeli dwa pierwiastki chemiczne tworzą więcej niż jeden związek chemiczny, to ilości wagowe jednego pierwiastka, przypadające na stałą ilość wagową drugiego pierwiastka, pozostają do siebie w stosunku niewielkich liczb całkowitych, np. w tlenkach azotu ( N ) 2O, NO, N2O3, NO2, N2O5 Masy tlenu przypadające na jednostkę masy azotu pozostają do siebie w stosunku 1:2:3:4:5. W tych samych warunkach ciśnienia i temperatury objętości reagujących ze sobą substancji mają się do siebie jak proste liczby całkowite np. w reakcji syntezy amoniaku z pierwiastków ( N ), 2 + 3H 2 2NH 3 stosunek objętości azotu do wodoru wynosi 1:3; podobnie stosunek objętości powstałego amoniaku do sumy objętości substratów wynosi 12 A.Wróblewski
A.Wróblewski
A.Wróblewski Dalton jest uważany za twórcę współczesnego atomizmu. Hipoteza Arystotelesa odchodziła w niepamięć. Pierwiastki składają się z atomów. Rosła znana liczba pierwiastków. W połowie XIX wieku Dimitr Iwanowicz Medelejew (1934 1907) rozmieścił wszystkie znane pierwiastki i przewidział istnienie nowych odkrył prawo okresowości pierwiastków chemicznych. Powstał UKŁAD OKRESOWY MENDELEJEWA
Następny etap w poznawaniu struktury materii to odkrycie elektronów. Przedstawia to tabela obok. NN 1906 A. Wróblewski Dalsze odkrycia struktury wewnętrznej Ernest Rutherford (1898)----- odkrycie promieniowania a i b; Paul Villard (1900) ----- odkrycie promieniowania g; Jean Perrin(1901),Kelvin(1902),Philipp Lenard(1903), J.J.Thomson, H.Nagaoka(1904) ------ pierwsze modele atomu;
NN 1908 NN 1922 A.Einstein (1905) ----- sugestia istnienia kwantów promieniowania elektromagnetycznego, James Chadwick (1911) ----- widmo promieniowania b; E.Rutherford (1911) ----- obserwacja rozpraszania cząstek a na jądrach złota (a + Au), drugi model atomu; Nils Bohr (1913) ----- hipoteza orbitalnego modelu atomu, trzeci model atomu; E.Rutherford (1919) ----- obserwacja reakcji jądrowych, wykrycie protonów (protony to jądra atomów wodoru), podanie pierwszego modelu jądra (np. dla azotu N (Z=7, A=14), N= 14 p + 7e); Powstanie Mechaniki kwantowej (dualizm korpuskularnofalowy (1923-1926):
M.Planck (NN 1918), N.Bohr (NN 1922), E.Schrödinger (NN 1933), W.Heisenberg (NN 1932), P.Dirac (NN 1933), M.Born (NN 1955), L.de Broglie (NN 1929), W.Pauli (NN 1945). Czwarty model atomu P.Dirac (1928) ----- sugestia istnienia antymaterii; C.D. Anderson (1932) ----- odkrycie pierwszej antycząstki, antyelektronu = pozyton; Goudsmit,Uhlenbeck (1925) ----- odkrycie, iż elektrony posiadają wewnętrzną własność nazywaną spinem s=1/2; D.Denison (1927) ----- proton też posiada spin s=1/2; NN 1936
F.Rasetti (1929) ----- pokazanie, że jądra azotu też mają spin s=1; L. Meintner, Orthmann (1929) ---- widmo elektronów w rozpadzie b jest ciągłe; N. Bohr (1930) ----- hipoteza - możliwe jest, że w rozpadzie b mamy niezachowanie energii, pędu i momentu pędu ; W. Pauli (1930) ----- istnieje nowa cząstka, nazwana małym neutronem a później neutrinem; Irena i Frederic Joliot Curie (1932) ---- w rozpraszaniu cząstek a na jądrach berylu zaobserwowali istnienie ciężkich fotonów ; J. Chadwick (1932) ----- ciężkie fotony to nowe cząstki nazwane neutronami, elektrycznie obojętne o masie zbliżonej do masy protonu; Drugi model jądra: N=14 p + 7 e + 7n 8 12 12 α + Be4 4 C6 6+ + "" γ" γ" NN 1935
D. Iwanienko (1932) ---- protonowo neutronowy model jądra; W. Heisenberg (1932) ---- ( skąd biorą się elektrony w jądrze?), pierwsza teoria sił jądrowych; E.Fermi (1934) ----- pierwsza teoria oddziaływań słabych; H. Yukawa (1935) ----- podanie teorii sił jądrowych; C. Anderson i S. Neddermeyer ----- odkrycie mezonów m z promieniowania kosmicznego i początkowe mylne potraktowanie ich jako cząstek Yukawy; C.F. Powell (1947) ----- odkrycie pionów Yukawy; R. Hofstadter (1954) ----- rozpraszanie elektronów na jądrach, zbadanie ich rozmiarów; N = 7 p + 7 n n n = = p + e p + NN 1949 e +ν e + n p + π ; p n + π ; 0 0 p p + π ; n n + π NN 1950 NN 1961
Lata 50-te pierwsza koncepcja budowy materii; ( p, n, e MATERIA = { powiązane przez g} ) Problemy, skąd + 0 ± π, π, π, μ, ν e D.A.Glaser (1952) ----- zbudowanie pierwszej komory pęcherzykowej służącej do detekcji promieniowanie kosmicznego; Odkrycie wielu nowych cząstek ( K, L, S, D, X, r...); M. Gell-Mann, K.Nishijinma (1953) ----- odkrycie dziwności s ; NN 1960
S. Sakata (1956) ----- model cząstek zbudowanych z p,n, L; F. Reines, C. L. Cowen (1956) ----- wykrycie neutrina elektronowego M. Gell-Mann, Y. Ne eman (1961) ----- droga ośmiokrotna ósemki i dziesiątki cząstek o spinach 0, 1, 1/2 oraz 3/2; L. Ledermann, M. Schwartz, J. Steinberger (1962) ---- wykrycie drugiego rodzaju neutrin- neutrin mionowych; M. Gell-Mann, G. Zweig (1964) ---- hipoteza że odkrywane cząstki składają się z kwarków (asów); O. Greenberg, Y. Nambu, M-Y Han (1964-65) ----- kwarki obdarzone są dodatkową liczbą kwantową nazwaną kolorem ; I. J. Friedman, H. Kandall, R.E. Taylor (1968-70) ----- eksperymentalne wykrycie kwarków i hipotetycznych gluonów; NN 1995 dla F.R. NN 1988 NN 1969 dla M.G-M u=up, d=down, s=strange. NN 1990
Drugie uproszczenie: (u, d, e MATERIA = { powiązane fotonami i ) gluonami} + π Problemy: ( n, m, s) Bariony = składają się z trzech kwarków Mezony= układy składające się z kwarku i antykwarku proton u u u d mezon + π d d u neutron d
Jak poznajmy strukturę materii? Akceleratory po co? rodzaje zasada działania p + p, p + antyproton e + p e + pozyton neutrino + e neutrino + nukleon
LEP Mikroskopy sięgamy w głąb materii
Mikroskopy sięgamy w głąb materii LEP
LHC Detectors ATLAS LHCb CMS ALICE
Detektor Alice (LHC)
LEP Korytarz Odkrycie cząstki W i Z 0 Detekcja cząstek
Największe detektory odbieramy różne sygnały Detektor Super-Kamiokande Kamioka Obserwatory ICRR Institute for Cosmic Ray Research
Plany na przyszłość LHC - The Large Hadron Collider (otwarcie 2007rok) jest akceleratorem cząstek, przy użyciu którego naukowcy podejmą próbę sięgnięcia w głąb materii głębiej niż kiedykolwiek wcześniej. Zderzane będą wiązki protonów o energii 14TeV i jądra przyspieszone do energii
Kosmiczny Teleskop Hubble a Kosmiczny Teleskop Hubble a wyniesiony na orbitę w 1990roku i umieszczony na wysokości 480km nad Ziemią Jest wolny od zakłóceń przez atmosferę planety.
Teleskopy - liczne okna na Wszechświat Pierwsze Obserwatorium należące do ESO (The European Southern Obserwatory) położone na górze La Silla (2400m.n.p.m) na pustyni Atacama. Cztery europejskie teleskopy VLT (Very Large Telescope) umieszczone na szczycie Cerro Paranal (2640m n.p.m.) w Chile Ostatni zamontowano pod koniec 2000r.
SLAC
B.Richter, S. Ting (1974) ----- wykrycie czwartego kwarku powabnego c, Kobayashii, Maskawa (1973) ----- przewidzieli istnienie trzeciej generacji kwarków i leptonów, M. Perl (1975) ----- odkrył istnienie trzeciego leptonu naładowanego t, L. Lederman (1978) ----- odkrył piąty kwark b - piękny W ośrodku Fermilab koło Chicago został wykryty szósty kwark t (1995), W tym samym ośrodku zostało zaobserwowane ν τ trzecie neutrino (2000), W CERN-ie cztery eksperymenty pracujące przy akceleratorze LEP pokazały, że istnieją tylko trzy generacje kwarków i leptonów. NN - 1976 NN-1995
Porównanie stanu wiedzy na temat podstawowych składników materii w dwóch przełomowych okresach. Od A.Wróblewskiego
Tablica Kwarków i Leptonów
Pomimo, że mamy w tej chwili zadawalająca teorię opisującą najdrobniejsze składniki materii nie uważamy ja za satysfakcjonującą. Wiele pytań pozostaje bez odpowiedzi. Dlaczego są trzy rodziny? Dlaczego kwarki posiadają trzy kolory? Jak wyjaśnić masy kwarków i leptonów? Dlaczego stałe fizyczne mają takie wartości jakie mają? Dlaczego łamana jest symetria CP? Dlaczego mamy mieszanie pomiędzy kwarkami i leptonami? Problem kwantowej grawitacji, W jaki sposób teoria cząstek wyjaśni powstanie Wszechświata. Panuje przekonanie, że obecny skład podstawowych składników materii ulegnie modyfikacji przy wzroście energii.
Będą prowadzone dalej badania eksperymentalne i teoretyczne Ufamy, że nowe informacje przyniesie uruchamiany w 2007roku LHC w CERN-ie. ---- odkrycie cząstki Higgsa, ---- może pojawią się cząstki supersymetryczne, ---- a może teoria przestanie się zgadzać z doświadczeniem, ---- może też ktoś wpadnie na pomysł co dalej bo ograniczenia eksperymentalne nie pozwalają śledzić obszaru dużych energii, ---- może włączenie teorii kwantowej grawitacji zmieni nasz pogląd na strukturę materii. W chwili obecnej dwie koncepcje teoretyczne są szeroko dyskutowane. W jednej z nich cząstki materii i bozony przenoszące oddziaływania są połączone symetrią zwaną supersymetrią. W innej, cząstki przy bardzo dużej energii (albo w bardzo małej skali) stają się strunami.
Bardzo popularną teorią jest teoria z nową symetrią łączącą fermiony z bozonami. Ta nowa symetria nazywa się SUPERSYMETRIĄ. Supersymetria transformuje funkcje falowe zwykłych cząstek w hipotetyczne supercząstki zwane scząstkami. Każda scząstka posiada spin różniący się o1/2 od spinu zwykłej cząstki. Bozon foton 1 fotino 1/2 Bozon gluon 1 gluino 1/2 Bozon W, Z 1 wino, zino 1/2 zwykłe cząstki Bozon grawiton 1 grawitino 3/2 Bozon Higgs 0 Higgsino 1/2 Fermion kwarki ½ skwark 0 Fermion elektron ½ slektron 0 Supersymetryczni partnerzy Fermion mion ½ smion 0 Fermion tau ½ stau 0 Fermion neutrino ½ sneutrino 0
SPIN ½ FERMIONS SPIN 0 BOSONS Leptons Quarks u d ν e e ν c s μ t b ν μ τ τ Sleptons Squarks u d ν e e c s ν μ t b ν τ μ τ The Generations of Matter The Generations of Smatter