Rozdział 1 Wiadomości wstępne. Krótka historia Przekrój czynny, świetlność Układ jednostek naturalnych Eksperymenty formacji i produkcji

Podobne dokumenty
Wiadomości wstępne. Krótka historia Przekrój czynny Układ jednostek naturalnych Eksperymenty formacji i produkcji

VI.5 Zderzenia i rozpraszanie. Przekrój czynny. Wzór Rutherforda i odkrycie jądra atomowego

Metody Lagrange a i Hamiltona w Mechanice

Zderzenia. Fizyka I (B+C) Wykład XVI: Układ środka masy Oddziaływanie dwóch ciał Zderzenia Doświadczenie Rutherforda

Reakcje jądrowe. kanał wyjściowy

VI. 6 Rozpraszanie głębokonieelastyczne i kwarki

Reakcje jądrowe. X 1 + X 2 Y 1 + Y b 1 + b 2

Struktura protonu. Elementy fizyki czastek elementarnych. Wykład III

Cząstki elementarne i ich oddziaływania III

FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych

Wstęp do fizyki jądrowej Tomasz Pawlak, 2013

Struktura protonu. Elementy fizyki czastek elementarnych. Wykład IV

kwantowanie: Wskazówka do wyprowadzenia (plus p. Gaussa) ds ds Wykład VII: Schrodinger Klein Gordon, J. Gluza

III. EFEKT COMPTONA (1923)

Wstęp do oddziaływań hadronów

Rozpraszanie elektron-proton

Rozdział 9 Przegląd niektórych danych doświadczalnych o produkcji hadronów. Rozpraszanie elastyczne. Rozkłady krotności

Fizyka do przodu w zderzeniach proton-proton

2008/2009. Seweryn Kowalski IVp IF pok.424

Pęd i moment pędu. dp/dt = F p = const, gdy F = 0 (całka pędu) Jest to zasada zachowania pędu. Moment pędu cząstki P względem O.

Fizyka zderzeń relatywistycznych jonów

Rozszyfrowywanie struktury protonu

Wyznaczanie współczynnika rozpraszania zwrotnego. promieniowania β.

Dozymetria promieniowania jonizującego

Rozdział 7 Kinematyka oddziaływań. Wnioski z transformacji Lorentza. Zmienna x Feynmana, pospieszność (rapidity) i pseudopospieszność

Elementy Fizyki Czastek Elementarnych 1 / 2

Grawitacja. Fizyka I (Mechanika) Wykład XI:

Podstawy fizyki subatomowej. 3 kwietnia 2019 r.

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 26, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

Zderzenia relatywistyczne

Wykład 3 Zjawiska transportu Dyfuzja w gazie, przewodnictwo cieplne, lepkość gazu, przewodnictwo elektryczne

WSTĘP DO FIZYKI CZĄSTEK. Julia Hoffman (NCU)

Dynamika relatywistyczna

Szczególna i ogólna teoria względności (wybrane zagadnienia)

Rozpraszanie elektron-proton

Zad Sprawdzić, czy dana funkcja jest funkcją własną danego operatora. Jeśli tak, znaleźć wartość własną funkcji.

WSTĘP DO FIZYKI JADRA ATOMOWEGOO Wykład 10. IV ROK FIZYKI - semestr zimowy Janusz Braziewicz - Zakład Fizyki Atomowej IF AŚ

Unifikacja elektro-słaba

V.6.6 Pęd i energia przy prędkościach bliskich c. Zastosowania

I.4 Promieniowanie rentgenowskie. Efekt Comptona. Otrzymywanie promieniowania X Pochłanianie X przez materię Efekt Comptona

Fizyka cząstek elementarnych i oddziaływań podstawowych

Odp.: F e /F g = 1 2,

W jaki sposób dokonujemy odkryć w fizyce cząstek elementarnych? Maciej Trzebiński

Elektrodynamika Część 2 Specjalne metody elektrostatyki Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Elementy fizyki czastek elementarnych

Fizyka 3. Konsultacje: p. 329, Mechatronika

Struktura porotonu cd.

Fizyka 2. Janusz Andrzejewski

Wielki Wybuch czyli podróż do początku wszechświata. Czy może się to zdarzyć na Ziemi?

Efekt Comptona. Efektem Comptona nazywamy zmianę długości fali elektromagnetycznej w wyniku rozpraszania jej na swobodnych elektronach

Wykład Budowa atomu 1

cz. 1. dr inż. Zbigniew Szklarski

mechanika analityczna 1 nierelatywistyczna L.D.Landau, E.M.Lifszyc Krótki kurs fizyki teoretycznej

Bryła sztywna. Fizyka I (B+C) Wykład XXIII: Przypomnienie: statyka

Najgorętsze krople materii wytworzone na LHC

Dynamika relatywistyczna

Szczególna i ogólna teoria względności (wybrane zagadnienia)

Wykład 17 Izolatory i przewodniki

WYKŁAD 8. Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników

Rozdział 6 Oscylacje neutrin słonecznych i atmosferycznych. Eksperymenty Superkamiokande, SNO i inne. Macierz mieszania Maki-Nakagawy- Sakaty (MNS)

Fizyka 3. Konsultacje: p. 329, Mechatronika

Janusz Gluza. Instytut Fizyki UŚ Zakład Teorii Pola i Cząstek Elementarnych

Zasady zachowania. Fizyka I (Mechanika) Wykład VI:

Stany skupienia (fazy) materii (1) p=const Gaz (cząsteczkowy lub atomowy), T eratura, Tempe Ciecz wrzenie topnienie Ciało ł stałe ł (kryształ)

Energetyka konwencjonalna odnawialna i jądrowa

Eksperyment ALICE i plazma kwarkowo-gluonowa

Zadania z mechaniki kwantowej

Mechanika kwantowa. Jak opisać atom wodoru? Jak opisać inne cząsteczki?

Zasady dynamiki Isaak Newton (1686 r.)

Mechanika relatywistyczna Wykład 13

Struktura protonu. Elementy fizyki czastek elementarnych. Wykład IV

Promieniowanie jonizujące

Promieniowanie jonizujące i metody radioizotopowe. dr Marcin Lipowczan

Promieniowanie jonizujące

Oddziaływania. Przekrój czynny Zachowanie liczby leptonowej i barionowej Diagramy Feynmana. Elementy kwantowej elektrodynamiki (QED)

r. akad. 2008/2009 V. Precyzyjne testy Modelu Standardowego w LEP, TeVatronie i LHC

ver magnetyzm

Oddziaływanie jonów z powierzchnią

Elementy Fizyki Jądrowej. Wykład 5 cząstki elementarne i oddzialywania

v = v i e i v 1 ] T v = = v 1 v n v n ] a r +q = a a r 3q =

Fizyka kwantowa. promieniowanie termiczne zjawisko fotoelektryczne. efekt Comptona dualizm korpuskularno-falowy. kwantyzacja światła

Fizyka 2. Janusz Andrzejewski

Podstawy Fizyki III Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 3, Mateusz Winkowski, Łukasz Zinkiewicz

Już wiemy. Wykład IV J. Gluza

Własności jąder w stanie podstawowym

v = v i e i v 1 ] T v =

Strumień Prawo Gaussa Rozkład ładunku Płaszczyzna Płaszczyzny Prawo Gaussa i jego zastosowanie

Podstawy fizyki subatomowej

Theory Polish (Poland)

V.6 Pęd i energia przy prędkościach bliskich c

W2. Struktura jądra atomowego

Obraz Ziemi widzianej z Księżyca

WYKŁAD 8. Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW. Oddziaływania słabe

Zderzenia relatywistyczne

Elementy fizyki czastek elementarnych

Fizyka cząstek elementarnych

n p 2 i = R 2 (8.1) i=1

dr inż. Zbigniew Szklarski

1.6. Ruch po okręgu. ω =

Transkrypt:

Rozdział 1 Wiadomości wstępne Krótka historia Przekrój czynny, świetlność Układ jednostek naturalnych Eksperymenty formacji i produkcji

Historia fizyki cząstek w pigułce 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 000 Bevatron PS AGS PETRA ISR SPEAR Tevatron SPS HERA LEP RHIC LHC EW QCD plazma kwarkowo-gluonowa dziwność NC kwark t p,n,e µ cząstki V π kwarki d, u, s lepton τ J/ψ ϒ W, Z oscylacje neutrin ν m 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 000 rewolucja listopadowa

Przekrój j czynny Znana liczba kul o nieznanym promieniu R. Można ten promień wyznaczyć mierząc liczbę kulek-pocisków, które nie uległy odchyleniu Każda kula definiuje walec o powierzchni podstawy σ = πr σ - przekrój czynny całkowity

Przekrój j czynny W jednostce objętości tarczy jest n cząstek-celów, z których każda przedstawia powierzchnięσ. Natężenie wiązki wynosi Φ cząstek padających na jednostkę czasu i jednostkę powierzchni. Rozważamy element tarczy o grubości dx. Prawdopodobieństwo zderzenia jest równe stosunkowi powierzchni zasłoniętej przez cząstki tarczy do całkowitej powierzchni tarczy S dφ nsσdx = Φ S dx dφ = Φnσdx = Φ λ Φ = Φ exp( nσx) = Φ exp( x / λ) x 0 0 λ = 1/nσ - średnia droga swobodna [σ] = m ; 1 barn = 10 8 m 1 milibarn (mb) 1 mikrobarn (µb) itd.

Przekrój j czynny Przekrój czynny całkowity można wyznaczyć na podstawie pomiaru strumienia Φ x cząstek po przejściu przez warstwę o grubości x σ = Φ 0 Φ Φ 0 nx x

Przekrój j czynny przekrój czynny różniczkowy dσ = σ(θ,φ)dω zwykle występuje symetria osiowa w kącie azymutalnym φ dω = πsin θ dθ; dσ = π σ(θ) sinθ dθ π 4π dσ σ = π σ( θ) sinθ dθ = dω dω 0 0

Przekrój j czynny Przekrój czynny na rozpraszanie pod kątem θ - prawdopodobieństwo, że kąt rozproszenia jest między θ i θ + dθ, a cząstki rozproszone trafiają w kąt bryłowy dω = π sin θ dθ

Przykład: rozpraszanie małych kuleczek na doskonale sprężystej kuli ( ) Wszystkie kuleczki mające parametr zderzenia między b i b + db będą miały kąt rozproszenia między θ i θ + dθ Związek kąta rozproszenia z parametrem zderzenia b = R sinα = R sin (π - θ)/ = R cos θ/ dn = πbndb; dσ = dn/n Tu mamy rozpraszanie izotropowe θ θ 1 d = bdb = Rcos R/ sin d = 4 R sin d = (R /4)d σ π π θ π θ θ Ω σ( θ) dσ R = = = const dω 4 4π 4π dσ R σ = dω = dω = πr dω 4 0 0

L = mv α b= mr (dα/dt) = const, stąd r = v α b/ (dα/dt) równanie ruchu dla składowej y: mdv y /dt = F y = Fsinα = ksinα/r = = ksinα (dα/dt)/ v α b Kąt odchylenia θ znajdujemy całkując to równanie w granicach od v y = 0 do v y = v 0 sinα (w nieskończoności θ = π α) Rozpraszanie w polu siły y centralnej

Rozpraszanie w polu siły y centralnej v0 sin θ π θ k dvy = sin αdα mv b 0 0 0 k k v sin θ = cos α 0 0 = 1 + cos θ mv b mv b [ ] π θ ( ) 0 0 mv0 1+ cosθ θ b = = ctg k sinθ Jest to związek kąta rozpraszania z parametrem zderzenia

Rozpraszanie Rutherforda W doświadczeniach nad rozpraszaniem cząstek α na foliach metalowych parametr b nie jest kontrolowany. W jednostce objętości jest n jąder atomowych. W warstwie o grubości x jest nx jąder na jednostkę powierzchni. Strumień N cząstek α na m i sekundę. dn nx πbdb N 1 ; 1 k 1 mv sin θ = db 0 = dθ k θ 1 k 1 dn = Nnx π ctg dθ mv mv sin θ 0 0 b db

Rozpraszanie Rutherforda dn k = mv 4 0 4sin Nnx dn k Nnx = 4 dω mv0 4sin θ πsinθdθ θ ( ) ( ) dσ 1 dn k 1 = = 4 dω Nnx dω mv0 4sin θ ( ) W doświadczeniu Rutherforda badano rozpraszanie cząstek α na jądrach atomowych o liczbie porządkowej Z. W tym wypadku QQ 1 k = 4πε Q 1 = e, Q = Ze 0 d Ze 1 σ = dω 4πε mv sin 4 0 0 θ ( ) Wzór Rutherforda

Ernest Rutherford To było tak jakbyście wystrzelili piętnastocalowy pocisk w kierunku kawałka bibułki, a on odbił się i was uderzył. Rutherford

W modelu atomu proponowanym przez Josepha Johna Thomsona (model ciastka z rodzynkami ) rozpraszanie cząstek α pod bardzo dużymi kątami było niezmiernie mało prawdopodobne Rutherford wyjaśnił obserwowane rozpraszanie cząstek α pod bardzo dużymi kątami proponując jądrowy model atomu

Czego się dowiadujemy z pomiarów σ? Badanie przekroju czynnego rozpraszania atomów potasu K na atomach ksenonu Xe potwierdziło, że siła oddziaływania między nimi odpowiada potencjałowi Lennarda-Jonesa E p = kr 6

Przykład: przekrój j czynny trafienia w Księż ężyc rakietą z Ziemi Ciało spadnie na kulę o promieniu R jeżeli odległość największego zbliżenia do środka kuli będzie mniejsza od R: r min < R; odległość r min znajdziemy z warunku E p,ef = E (dla r min = R) mv bmax GMm mv = skąd: R R σ = πb = πr 1+ GM max Rv Gdy prędkość v dąży do, σ dąży do przekroju geometrycznego πr Przekrój geometryczny Księżyca wynosi około 9 10 6 km ; dla prędkości rakiety 11,087 km/s i 11,455 km/s przekroje wynoszą około 58 10 6 km i 14 10 6 km

Przekroje czynne w fizyce cząstek Oddziaływania proton-proton

Przekroje czynne w fizyce cząstek mierzymy w barnach i jednostkach pochodnych 1 barn = 1b = 10-4 cm 1 milibarn = 1mb = 10-3 b = 10-7 cm 1 mikrobarn = 1µb = 10-6 b = 10-30 cm 1 nanobarn = 1nb = 10-9 b = 10-33 cm 1 pikobarn = 1pb = 10-1 b = 10-36 cm 1 femtobarn = 1fb = 10-15 b = 10-39 cm 1 attobarn = 1ab = 10-18 b = 10-4 cm

Świetlność (luminosity) zderzaczy (colliders) Liczba zderzeń na sekundę R = σ L (Świetlność L mierzy się w cm - s -1 ) Zderzacz L w 10 30 cm - s -1 Dane z PDG 006 LEP (1989) 4-100 HERA (199) 75 Tevatron (1987) 170 LHC (008) 10 4 Przykład: σ = 1 fb = 10-15 10-4 cm dla L = 10 3 cm - s -1 R = 10-7 s -1 1 rok @ 3 10 7 s oczekiwane średnio trzy takie zdarzenia na rok

Scałkowana świetlność Ldt ma wymiar odwrotności σ Przykład: L = 10 34 cm - s -1 1 rok pracy akceleratora, L = constans Ldt = L dt @ 10 34 cm - s -1 3 10 7 s @ 3 10 41 cm - = 300 fb -1 rok rok [trzysta odwrotnych femtobarnów ]

Przykład

Przykład: Tevatron

Przykład A 3 1 N = 6,0 10 mol liquid H ρ = 0,0708 g cm 6-4 1 3 molar mass M = A = 1,00794 g/mol 0,0708 n = N Aρ / M = 6,0 10 cm 4, 10 cm 1,00794 σ= 40 mb = 4 10 cm λ=1/nσ 1/16,8 10 cm 6 m 3 3 3 Amerykańska rule of thumb ( reguła kciuka ) stopa w wodorze barn słuszna z dokładnością 0% (dla σ = 1 barn λ = 6 m/5 4 cm)

Przykład A 3 1 N = 6,0 10 mol Fe ρ = 7,87 g cm 3 molar mass M = A = 55,845 g/mol 7,87 n = N Aρ / M = 6,0 10 cm = 8,5 10 cm 55,845 6 σ= 40 mb = 4 10 cm -4 1 λ=1/nσ 1/36 10 cm,8 m 3 3 3

Układ jednostek ħ = c = 1 ħ = 1,0546 10-7 erg s = 6,5817 10-5 GeV s = 1 c = 99 79 458 m s -1 = 1 ħc = 197,3696 MeV fm = 0,19737 GeV fm = 1 [E] = [M] = [ω] = [T -1 ] [LT -1 ] = 1 [J] = [M LT -1 L] = 1 [E] = [L -1 ] = [T -1 ] = [p] [L] = [T] 1 GeV -1 0, fm 1 GeV 5,1 fm -1 (ħc) = 0,3893799 GeV mb = 1 1 mb,568 GeV - 1 s 1,5 10-4 GeV -1

Przykład 1 e + γ µ + e - ( ) µ - s= E = q = q q cm 0 σ=αf(s,m,m ) αf(s) dla E cm >> m e, m µ e µ [σ] = [L ], [s] = [L - ] czyli σ α / s ( 1/137) ( 1 GeV) ( ) + + σ(e e µ µ ) = µ 1/137 0,389 mb 10 b 0nb s(gev ) wynik dokładny σ = 4 α π 3 s

Particle Data Group (PDG) 006 σ (mb) s (GeV)

Przykład Reakcja ν + N... σ (νn) = G f (s, m N ) σ (νn) = G f (s) dla s >> m N [G] = [L ] σ (νn) G s G = 1,1664 10-5 GeV - m N 0,94 GeV Gm N 10-5 W układzie lab nukleon w spoczynku, energia neutrin E ν s = E cm = (E ν + m N ) p ν = m N (E ν + m N ) m N E ν σ (νn) G m N E ν 10-10 (1/0,94) GeV - (E ν / m N ) 10-10 0,4 mb (E ν / m N ) 40 fb (E ν / m N )

(PDG 006) s (GeV)

Eksperyment formacji badanie zależności przekroju czynnego od energii zderzenia Eksperyment produkcji badanie rozkładów masy niezmienniczej układów cząstek

Cząstka ++ w eksperymencie produkcji

Cząstki ρ 0, η i ω w eksperymentach produkcji

Rachunki dla zderzeń pion-proton przy 5 GeV (założenie: w każdym oddziaływaniu jest jeden ρ 0 π + π ) π + p pπ + π + π π + p pπ + π + π + π π π + p pπ + π + π + π + π π π kombinacje π + π 6 kombinacji π + π 1 kombinacji π + π