Fizyka cząstek elementarnych i oddziaływań podstawowych Wykład 1 Wstęp Jerzy Kraśkiewicz
Krótka historia Odkrycie promieniotwórczości 1895 Roentgen odkrycie promieni X 1896 Becquerel promieniotwórczość 1900 Planck idea kwantów w promieniowaniu ciała doskonale czarnego 1905 Einstein wyjaśnił efekt fotoelektryczny, postulując istnienie fotonów Odkrycie elektronu 1897 Thomson badał promienie katodowe w polu elektrycznym i magnetycznym, wyznaczył e/m 1909 Milikan badał opadanie kropelek oliwy w powietrzu w polu elektrycznym, wyznaczył masę elektronu
Krótka historia 1923 Compton badał rozpraszanie fotonów na elektronach foton padający elektron rozproszony fotony niosą energię i pęd jak cząstki materialne foton rozproszony
Model atomu Thomsona Krótka historia Ujemnie naładowane elektrony zanurzone w dodatnio naładowanej sferze 1911 Rutherford doświadczenie z rozpraszaniem cząstek α na cienkiej foli złota i hipoteza jądra α
Krótka historia 1930 Pauli hipoteza istnienia nowej, lekkiej, neutralnej cząstki - neutrino neutron? proton podstawą hipotezy było ciągłe widmo energetyczne elektronu w rozpadzie neutronu elektron 1956 Reines, Cowan odkrycie neutrina
Krótka historia 1931 Chadwick odkrycie neutronu 1932 Anderson odkrycie pozytonu antymaterii ślad w promieniowaniu kosmicznym 1934 Yukawa zaproponował istnienie bozonu przenoszącego oddziaływanie między nukleonami 1937 Anderson, Nedermayer odkrycie mionu (lepton) µ 1946 Powell odkrycie pionu (mezon) π + 1950 odkrycie pionu neutralnego p 0 p + m + + n
Krótka historia 1940 1960 odkrycia wielu mezonów i barionów, w tym cząstek dziwnych w promieniowaniu kosmicznym Cząstki dziwne powstawały zawsze parami w oddziaływaniach silnych, a rozpadały się wolno w oddziaływaniach słabych 1955 odkrycie antyprotonu
Krótka historia
Krótka historia Idea kwarków (up, down, strange) (bottom) (charm). (top)
Krótka historia 1970-1980 teoria oddziaływań silnych chromodynamika kwantowa (QCD) teoria oddziaływań elektrosłabych Glashow, Salam, Weinberg 1974 odkrycie czwartego kwarka charm (c) USA 1975 odkrycie leptonu tau (t - ) USA 1978 odkrycie piątego kwarka bottom (b) USA 1979 odkrycie gluonu Hamburg
Krótka historia 1983 odkrycie cząstek przenoszących słabe oddziaływania - W ±, Z 0 CERN (Genewa) 1995 odkrycie szóstego kwarka top (t) USA
Krótka historia 1998 dowód na istnienie masy neutrino - Japonia Detektor Super-Kamiokande 50,000 ton bardzo czystej wody 1000 m pod ziemią 11,146 fotopowielaczy (PMT) o średnicy 20 cali 1,885 PMT w warstwie zewn.
Krótka historia do dzisiaj poszukiwanie cząstki Higgsa nieodzownej w modelu oddziaływań elektrosłabych
Atom (10-10 m) Struktura materii? Elektron? Jądro (10-14 m) Nukleon (10-15 m) Kwark < 10 18 m
Klasyfikacja cząstek bozony cząstki o spinie całkowitym (0, 1, 2, 3, ) fermiony cząstki o spinie połówkowym (1/2, 3/2, 5/2, ) Własności symetrii funkcji falowej identycznych cząstek za względu na ich zamianę ψ (1,2) = + ψ (2,1) dla bozonów ψ (1,2) = ψ (2,1) dla fermionów ψ (1,2) = ψ parzystość przest ψ (1,2) ψ przest spin (1,2) l (1,2) = ( 1) ψ Dla identycznych bozonów przest oraz spin muszą być obie symetryczne lub obie antysymetryczne. ψ ψ Dla identycznych fermionów przest oraz spin muszą mieć przeciwne własności symetrii. ψ
Przykład Bozony i fermiony ρ 0 (775 ) 2 π S=1 S=0 0 (135 ) funkcja spinowa symetryczna, więc przestrzenna teŝ symetryczna l - parzyste Nie moŝe być spełnione prawo zachowania momentu pędu! Rozpad na róŝne piony dozwolony ρ 0 π + + π
Klasyfikacja cząstek Stabilna materia składa się z fermionów o spinie ½ LEPTONY: e -, n e KWARKI: up, down (u, d) są budulcem HADRONÓW MEZONY (BOZONY) BARIONY (FERMIONY) Siły pomiędzy kwarkami i leptonami przenoszą bozony o spinie 1: foton g - elektromagnetyczne gluon g silne W -, W +, Z 0 słabe grawiton G grawitacyjne???
Siły typ relatywna siła nośnik sił działa na/w Gluony g Kwarki, Silne 1 m = 0 jądro atomowe Foton γ Elektro-magnet. ~ 1/1000 m = 0 Ładunek elektryczny W, Z bozony Leptony, kwarki, Słabe ~ 10-5 m = 80, 91 GeV rozpad β nukleonu Grawiton? Masa, energia Grawitacyjne ~ 10-38 m = 0
Przykłady barionów Przykłady mezonów
Fermiony s=1/2 Silne kwark Nośniki oddziaływań Bozony s=1 gluony - g kwark Fermiony s=1/2 Elektromagnet. fotony γ e - e - Słabe ν bozony pośredniczące kwark Feynmana diagramy Z 0, W ±
Przedrostki Nazwa Skrót MnoŜnik Nazwa Skrót MnoŜnik femto f 10-15 kilo k 10 3 piko p 10-12 mega M 10 6 nano n 10-9 giga G 10 9 mikro m 10-6 tera T 10 12 mili m 10-3
Jednostki energii 1 ev = 1,6 ä 10-19 J 1 MeV = 10 6 ev, 1 GeV = 1000 MeV, 1 TeV = 1000 GeV PoniewaŜ E 2 = p 2 c 2 + m 2 c 4, gdzie E energia, p pęd, m masa spoczynkowa, c = 3 ä 10 8 m/s, więc wygodnie pęd mierzyć w GeV/c, a energię w GeV/c 2 lub przyjąć c = 1.
Jednostki naturalne GeV Ñ c Ñc = 0,197 Gev fm Energia Pęd GeV GeV/c Czas (GeV/Ñ) -1 Długość (GeV/Ñc) -1 Masa GeV/c 2 Powierzchnia (GeV/Ñc) -2 Układ naturalny - Heaviside Energia fm -1 Ñc Czas fm c -1 Pęd fm -1 Ñ Długość fm Masa fm -1 Ñc -1 Powierzchnia fm 2