Cząstki elementarne Wykonał: SEBASTIAN SZYMANEK SEBASTIAN KOZAK.

Prezentacja na temat: "Cząstki elementarne Wykonał: SEBASTIAN SZYMANEK SEBASTIAN KOZAK."— Zapis prezentacji:

1 Cząstki elementarne Wykonał: SEBASTIAN SZYMANEK SEBASTIAN KOZAK

2 Spis treści Co to są cząstki elementarne? Trochę historii
Czy atom jest cząstka elementarna? Czy jądro jest cząstką elementarna? Czy proton i neutron są cząstkami elementarnymi? Kwarki i skala Rzeczy Cząstki elementarne Model standardowy Cząstki w Modelu Standardowym Antymateria Generacja cząstek materii Cztery rodzaje oddziaływań Cząstki elementarne- opis. Literatura

3 Co to są cząstki elementarne?
Są to cząstki, których budowa wewnętrzna nie jest znana i których przy aktualnym stanie wiedzy i techniki nie można dzielić ich na części składowe. Stanowią one podstawowe elementy budowy materii, a ich wzajemne oddziaływania warunkują własności materii i przebieg procesów w otaczającym nas świecie. Cząstki elementarne charakteryzowane są przez następujące wielkości: masę spoczynkową, ładunek elektryczny, spin (czyli moment pędu), moment magnetyczny oraz średni czas życia. Masę spoczynkową cząstek elementarnych określa się jako wielokrotność masy elektronu lub w jednostkach energii- elektronowoltach (eV); ładunek elektryczny cząsteczki elementarnej może wynosić 0, +1, -1, +2, -2 ładunku elementarnego (ładunek elektronu wynosi -1); średni czas życia podawany jest w sekundach. Podstawowym kryterium podziału cząstek elementarnych jest ich masa spoczynkowa. Wg tego kryterium, poza fotonem, rozróżnia się cząstki elementarne lekkie - leptony, o średniej masie - mezony i ciężkie - bariony. Mezony i bariony biorą udział w oddziaływaniach silnych - są to tzw. hadrony. Wszystkim cząstkom elementarnym odpowiadają antycząstki. Zjawisko zderzenia cząstki z antycząstką nazwano ANIHILACJĄ , co oznacza kres ich istnienia. Np. w wyniku zderzenia pozyton i elektron zamieniają się na dwa fotony.

4 Wiedza o cząsteczkach elementarnych pochodzi głównie z doświadczeń prowadzonych w cyklotronach oraz z badań promieniowania kosmicznego. O istnieniu nie znanych jeszcze cząstek uczeni czasami wnioskują na podstawie rozważań teoretycznych. Historia odkryć cząsteczek elementarnych liczy ok. 100 lat:-1896r- J.J.Thomson odkrył elektron ujemny -negaton, -1905r-A. Einstein wprowadził pojęcie fotonu i cząstki te łącznie z protonem były jedynymi znanymi cząstkami elementarnymi do r- J. Chadwick odkrył neutron, a C.D. Anderson i P. Blackett elektron dodatni -pozyton. W. Pauli przewidział istnienie neutrina-1956r -Reines i C. Cowan doświadczalnie potwierdzili istnienie neutrina -1935r- H. Yukawa przewidział istnienie mezonu -1937r- C.D. Anderson i S.H. Neddermeyer wykryli mezon. Kolejne lata przynosiły, odkrycia nowych cząsteczek elementarnych., obecnie jest ich już kilkaset. Z definicji cząsteczki wynika jednak, że uznanie określonej cząstki za elementarną uzależnione jest od stanu wiedzy i techniki doświadczalnej, a właściwie ich niedoskonałości. Można sądzić, że wiele z cząstek traktowanych dzisiaj jako elementarne, a może nawet wszystkie, nie zasługuje na to miano. Obecnie sądzi się powszechnie, że prawdziwie elementarnymi cząstkami są kwarki.

5

6

7 Trochę historii Od początków do 1550 r. Grecy przysłużyli się bardzo fizyce tworząc podstawy dla współczesnych zasad: zasady zachowania materii, teorii atomowej i innych. W następnych stuleciach dokonano niewielkiego postępu. Dopiero w epoce Renesansu Kopernik wraz z innymi wielkimi myślicielami zaczęli krytycznie oceniać idee Greków w oparciu o metody empiryczne. Teoria Kopernika zamknęła poprzedni okres naukowego rozumienia świata i zapoczątkowała rewolucje naukowa, toteż umieszczamy jego nazwisko w rozdziale o Starożytności. p.n.e. Tales z Miletu twierdzili, ze woda jest podstawowym elementem Ziemi. Znal także przyciągające działanie magnesu i potartego bursztynu. p.n.e. Pitagoras utrzymywali, ze Ziemia jest kulista. On także zaszczepili nauce metodę matematycznego opisu świata. p.n.e., p.n.e. Anaksagoras i Empedokles. Anaksagoras rzucili wyzwanie dotychczasowemu przekonaniu o powstawaniu i znikaniu materii nauczając, ze wszelkie zmiany są spowodowane przegrupowaniami niewidzialnych cząstek (bedac w ten sposob prekursorem prawa zachowania materii). Empedokles skojarzyl te niewidzialne czastki z czterema elementami: ziemia, powietrze, ogien i woda. p.n.e. Demokryt rozwinal teorie wedlug ktorej wszechswiat sklada sie z pustej przestrzeni i niemal nieskonczonej liczby niewidzialnych czastek, ktore roznia sie miedzy soba ksztaltem, polozeniem i uporzadkowaniem. Wszystko jest zbudowane z niewidzialnych czastek nazwanych atomami.

8 384-322 p. n. e. Arystoteles usystematyzowal dotychczasowa wiedze
p.n.e. Arystoteles usystematyzowal dotychczasowa wiedze. Chociaz trudno tu wyroznic jakas teorie, to jego dzielo stalo sie podstawa nauki na tysiac lat. B.C. Arystarch opisal budowe Ukladu Slonecznego analogicznie jak to zrobil Kopernik 2000 lat pozniej. Jednakze wobec ogromnego autorytetu Arystotelesa heliocentryczna teoria Arystarcha zostala odrzucona na korzysc teorii geocentrycznej. p.n.e. Archimedes byl pionierem fizyki teoretycznej. Stworzyl on podstawy hydrostatyki. n.e. Ptolomeusz z Aleksandrii zebral cala wiedze z optyki. Opracowal tez skomplikowana teorie ruchow planet. ~1000 n.e. Arab Alhazen, napisal 7 ksiag o optyce. n.e. Roger Bacon uwazal, ze aby poznac tajemnice przyrody nalezy zaczac od obserwacji. W ten sposob dostarczyl nam metody rozwijania teorii dedukcyjnych opartych na faktach doswiadczalnych n.e. Mikolaj Kopernik udowodnil teorie, wedlug ktorej Ziemia krazy wokol Slonca. Ta teoria heliocentryczna byla rewolucyjna poniewaz obalala dotychczasowy dogmat o autorytecie Arystotelesa i spowodowala przewrot naukowy i filozoficzny.

9 Wskutek rewolucji kopernikanskiej stalo sie jasne, ze. teorie naukowe
Wskutek rewolucji kopernikanskiej stalo sie jasne, ze teorie naukowe nie moga byc przyjmowane bez sprawdzania. Wspolpraca miedzy uczonymi zwiekszyla sie i zaowocowala nowymi odkryciami. Galileo Galilei uwazany jest za ojca nowoczesnej fizyki, z powodu jego dazenia do zastapienia starych przypuszczen przez nowe, naukowo uzasadnione teorie. Wslawil sie swymi pracami w astronomii i nad mechanika, torujac droge dla Newtona. , Tycho Brahe and Johannes Kepler. Obserwacje astronomiczne, ktore wykonal Brahe umozliwily Keplerowi stworzyc jego teorie eliptycznych ruchow planet i dostarczyc dalszych dowodow na korzysc teorii Kopernika. Kepler takze dal jakosciowy opis grawitacji. Sir Isaac Newton rozwinal prawa mechaniki (obecnie zwane mechanika klasyczna), ktore ujmuja matematycznie ruch cial. Thomas Young zbudowal falowa teorie swiatla i opisal zjawisko interferencji.

10 Michael Faraday zbudowal silnik elektryczny i wytlumaczyl zjawisko indukcji elektromagnetycznej, ktore pokazuje zwiazek miedzy elektrycznoscia i magnetyzmem. Takze zbadal on zjawisko elektrolizy. Joesph Henry badal indukcje elektromagnetyczna rownolegle z Faradayem. Jego osiagniecia umozliwily skontruowanie telegrafu. 1873 James Clerk Maxwell poczynili ważne badania w trzech dziedzinach: widzenie barw, teoria kinetyczno-molekularna i teoria elektromagnetyzmu, aktora wytlumaczyla rozchodzenie sie swiatla w prozni. 1874 George Stoney stworzyl teorie elektronu i wyznaczyl jego mase. 1895 Wilhelm Röntgen odkryl promienie X. 1898 Maria Curie-Sklodowska and Pierre Curie odkryli pierwiastki promieniotworcze. 1898 Joseph Thompson zmierzyl wlasnosci elektronu i stworzyl swoj model "ciasta z rodzynkami" budowy atomu -- naladowanej dodatnio kuli z ujemnymi rodzynkami-elektronami wewnatrz niej.

11 Cząstki odkryte w latach 1898 - 1964:
Z poczatkiem dwudziestego wieku uczonym wydawalo sie, ze juz rozumieja podstawowe prawa przyrody. Atomy byly cegielkami budowy materii, ludzie wierzyli w prawa mechaniki newtonowskiej, a wiekszosc problemow fizyki byla rozwiazana. Jednakze juz zastapienie mechaniki Newtona przez teorie wzglednosci Einteina uswiadomilo uczonym, ze ich wiedza jest daleka od doskonalosci. Szczegolne zainteresowanie budzila mechanika kwantowa, aktora kompletnie zmienila pojmowanie fizyki. Cząstki odkryte w latach :

12 1900 Max Planck wysuwa przypuszczenie, ze promieniowanie jest skwantowane, tzn. jest przesylane w okreslonych paczkach. 1905 Albert Einstein, jeden z niewielu uczonych, ktorzy potraktowali powaznie idee Plancka, zaproponowal kwant swiatla, czyli foton, ktory zachowuje sie podobnie do czastki. Einstein takze stworzyl szczegolna teorie wzglednosci, przewidzial rownowaznosc masy i energii i badal falowo-czastkowa nature fotonow. 1 909 Hans Geiger i Ernest Marsden, pod kierunkiem Ernesta Rutherforda, wykonali doswiadczenia, w ktorych rozpraszali czastki alfa przez zlota folie wskazujace, ze atomy posiadaja male i ciezkie, dodatnio naladowane jadra. 1911 Ernest Rutherford wysuwa hipoteze jadra atomowego, jako wniosek z doswiadczen Hansa Geigera and Ernesta Marsdena. 1912 Albert Einstein wprowadza koncepcje krzywizny przestrzeni tlumaczac tym grawitacje Niels Bohr tworzy kwantowy model atomu. 1919 Ernest Rutherford dostarcza pierwszej wskazowki istnienia protonu.

13 1921 James Chadwick i E.S. Bieler wnioskuja o istnieniu sil jadrowych, ktore utrzymuja jadro atomowe w calosci. 1923 Arthur Compton odkrywa kwantowa nature promieni X potwierdzajac tym istnienie fotonow. 1924 Louis de Broglie wysuwa hipoteze o falowych wlasnosciach materii Wolfgang Pauli formuluje zasade dla elektronow w atomie, znana dzis jako zakaz Paukiego. 1925 Walther Bothe and Hans Geiger demonstruja spelnienie zasady zachowania masy i energii w zjawiskach atomowych. 1926 Erwin Schroedinger buduje mechanike falowa opisujaca obiekty kwantowe zlozone z bozonow. Max Born proponuje probabilistyczna interpretacje mechaniki kwantowej. G.N. Lewis wprowadza nazwe "foton" dla kwantu swiatla. 1927 Zaobserwowano, ze pewne ciala emituja elektrony (rozpad beta). Poniewaz zarowno atom, jak i jadro maja dyskretne poziomy energii, trudno bylo zrozumiec, dlaczego wysylane elektrony maja ciagly rozklad energii (wyjasnienie patrz rok 1930) Werner Heisenberg formuluje zasade nieoznaczonosci: im lepiej znamy energie czastki, tym gorzej znamy jej czas ( i na odwrot). To samo dotyczy pedu i polozenia czastki. 1928 Paul Dirac opisuje elektron laczac ze soba mechanike kwantowa i szczegolna teorie wzglednosci.

14 1930 Mechanika kwantowa i szczegolna teoria wzglednosci sa mocno ugruntowane. Sa dokladnie trzy czastki fundamentalne: proton, elektron i foton. Max Born, po zapoznaniu sie z rownaniem Diraca rzekl: "Fizyka bedzie ukonczona w ciagu szesciu miesiecy". 1930 Wolfgang Pauli wysuwa hipoteze neutrino w celu wytlumaczenia ciaglego rozkladu elektronow w rozpadzie beta. 1931 Paul Dirac stwierdza, ze dodatnie czastki wynikajace z jego rownania powinny istniec (i nadaje im nazwe "pozytony"). Sa one identyczne z elektronami, ale o dodatnim ladunku. Jest to pierwszy przyklad antyczastki. 1931 James Chadwick odkrywa neutron. Problem wiazania i rozpadu jadra nabiera pierwszorzednej wagi. Enrico Fermi posuwa naprzod teorie rozpadu beta wprowadzajac oddzialywanie slabe. Jest to pierwsza teoria uzywajaca neutrino i zmian "zapachu". Hideki Yukawa laczy teorie wzglednosci i teorie kwantowa w celu opisania oddzialywan jadrowych za pomoca wymiany nowych czastek (mezonow zwanych "pionami") miedzy protonami i neutronami. Z rozmiaru jadra Yukawa wnioskuje, ze masa postulowanych cza stek (mezonow) wynosi okolo 200 mas elektronu. Jest to poczatek mezonowej teorii sil jadrowych. 1937 Czastka o masie rownej 200 mas elektronu zostaje odkryta w promieniach kosmicznych. Z poczatku fizycy sadzili, ze jest to pion Yukawy, ale pozniej okazalo sie, ze jest to mion.

15 1938 E.C.G. Stuckelberg zauwazyl, ze protony i neutrony nie rozpadaja sie na kombinacje elektronow, neutrin, mionow lub ich antyczastek. Trwalosci protonu nie da sie wytlumaczyc prawami zachowania energii i ladunku. Zasugerowal on, ze ciezkie czastki p odlegaja niezaleznemu prawu zachowania. 1941 C. Moller and Abraham Pais wprowadzili pojecie "nukleonu" jako wspolnego okreslenia dla protonu i neutronu. Fizycy przekonali sie, ze czastka promieni kosmicznych, aktora miala byc mezonem Yukawy jest "mionem", pierwsza czastka drugiej generacji. To odkrycie bylo zupelnym zaskoczeniem -- I.I. Rabi skomentowal: "kto to zamawial?" Zostalo wprowadzone pojecie "leptonu" dla czastek, ktore nie oddzialuja silnie ( leptonami sa elektrony i miony). 1947 Mezon oddzialujacy silnie zostal znaleziony w promieniach kosmicznych i nazwany pionem. 1947 Fizycy rozwijaja metody obliczania elektromagnetycznych wlasciwosci elektronow, pozytonow i fotonow. Pojawiaja sie diagramy Feynmanna. 1948 Synchrocyklotron w Berkeley wytwarza pierwsze sztuczne piony. 1949 Enrico Fermi and C.N. Yang sugeruja, ze pion jest tworem zlozonym z nukleonu i anty-nukleonu. Ta idea zlozonych czastek jest bardzo radykalna.

16 1949 Odkrycie K+ poprzez jego rozpad.
1950 Zostal odkryty pion nuetralny. 1951 Dwa nowe typy czastek zostaja odkryte w promieniach kosmicznych droga obserwacji sladow w ksztalcie litery V i rekonstrukcji elektrycznie obojetnych czastek, ktore rozpadajac sie musialy wytworzyc dwie czastki naladowane zostawiajacych slady. Czastki te zostaly nazwane lambda0 i K0. 1952 Odkrycie czastki nazwanej delta w czterech odmianach: delta++, delta+, delta0, and delta-. 1952 Donald Glaser wynalazl komore pecherzykowa. Kosmotron w Brookhaven, akcelerator na energie 1,3 GeV zaczyna dzialac. 1953 Poczatek "eksplozji czastek" -- prawdziwej powodzi odkryc nowych czastek. Rozpraszanie elektronow przez jadra ujawnia jak rozlozony jest ladunek w protonach, a nawet neutronach. Elektromagnetyczna budowa protonow i neutronow wskazuje na ich wewnetrzna strukture, chociaz wciaz sa uwazane za czastki elementarne.

17 1954 C.N. Yang i Robert Mills tworza nowy typ teorii zwanych "teoriami cechowania". Wprawdzie jeszcze tego nie uswiadomiono sobie, te teorie tworza teraz podstawy Modelu Standardowego. 1957 Julian Schwinger pisze prace, w ktorej proponuje unifikacje oddzialywania slabego z elektromagnetycznym. Julian Schwinger, Sidney Bludman i Sheldon Glashow, w niezaleznych pracach sugeruja, ze wszystkie slabe oddzialywania sa przenoszone przez naladowane ciezkie bozony, nazwane pozniej W+ i W-. Wlasciwie to Yukawa pierwszy wprowadzil wymiane bozonu dwadziescia lat wczesniej, ale on proponowal pion jako posrednika slabej sily. 1961 Wobec tego, ze liczba poznanych czastek wciaz wzrastala, matematyczny schemat ich klasyfikacji ( grupa SU(3)) ulatwil fizykom rozpoznanie ich typow. 1962 Eksperymenty udowodnily, ze istnieja dwa rozne typy neutrin (neutrino elektronowe i neutrino mionowe). Wywnioskowano to wczesniej z rozwazan teoretycznych.

18 Cząstki odkryte od roku 1964 do chwili obecnej:
W polowie lat szescdziesiatych fizycy uswiadomili sobie, ze ich wyobrazenie, jakoby cala materia zbudowana byla z protonow, neutronow i elektronow nie wystarcza do wytlumaczenia mnostwa nowo odkrywanych czastek Teoria kwarkowa Gell-Manna i Zweiga rozwiazala ten problem. W ciagu ostatnich trzydziestu lat teoria ta, zwana obecnie Modelem Standardowym czastek i oddzialywan byla udoskonalana i zyskiwala aprobate w miare jak naplywaly jej potwierdzenia z nowych akceleratorow czastek. Cząstki odkryte od roku 1964 do chwili obecnej:

19 1964 Murray Gell-Mann i George Zweig rozwineli koncepcje kwarkow
1964 Murray Gell-Mann i George Zweig rozwineli koncepcje kwarkow. Zaproponowali oni budowe barionow i mezonow z trzech kwarkow lub antykwarkow zwanych gorny (up), dolny (down) i dziwny (strange): u, d i s majacych spin rowny 1/2 a ladunki elektryczne odpowiednio 2/3, -1/3 i -1/3 (okazuje sie, ze ta teori a nie jest zupelnie scisla). Poniewaz takie ladunki nigdy nie zostaly zaobserwowane, koncepcje kwarkow uwazano raczej za matematyczny opis schematu czastek niz za teorie rzeczywistych obiektow. Pozniejsze badania teoretyczne i doswiadczalne utwierdzily przekonanie, ze kwarki sa realnymi obiektami, chociaz nie mozna ich wyodrebnic Poniewaz leptony mozna w pewien sposob sklasyfikowac, w wielu pracach sugerowano istnienie czwartego kwarku o nowym "zapachu", potrzebnego, aby uzyskac powtarzajace sie zestawy kwarkow, zwane obecnie rodzinami. Niewielu fizykow potraktowalo wtedy powaznie ten pomysl. Sheldon Glashow i James Bjorken ukuli okreslenie "powab" (charm) dla tego czwartego kwarku (c). 1965 O.W. Greenberg, M.Y. Han i Yoichiro Nambu wprowadzili dla kwarku koncepcje ladunku kolorowego. Wszystkie obserwowane hadrony sa kolorowo neutralne (biale) Model kwarkow przyjmuje sie dosc niechetnie, gdyz kwarki nie zostaly zaobserwowane.

20 1967 Steven Weinberg and Abdus Salam niezaleznie proponuja teorie unifikujaca elektromagnetyczne i slabe oddzialywania w oddzialywanie elektroslabe. Ich teoria wymaga, by istnial neutralny, slabo oddzialujacy bozon (zwany obecnie Z0) przenoszacy slabe oddzialywanie, ktorego jednak nie obserwowano w tym czasie. Przewiduja oni takze istnienie dodatkowego ciezkiego bozonu zwanego bozonem Higgsa, ktory jednakze nie nie zostal zaobserwowany az do dzis. W eksperymencie na akceleratorze liniowym w Stanford, w ktorym elektrony byly rozpraszane przez protony, okazalo sie, ze elektrony sa odbijane przez male twarde rdzenie wewnatrz protonow. James Bjorken i Richard Feynman zanalizowali te wyniki z punktu widzenia hipotezy o skladowych czastkach wewnatrz protonu (nie uzywali oni nazwy "kwark", chociaz eksperyment ten dowiodl istnienia kwarkow). 1970 Sheldon Glashow, John Iliopoulos, i Luciano Maiani docenili waznosc istnienia czwartego typu kwarkow dla Modelu Standardowego. Czwarty kwark dopuszcza opis teoretyczny oddzialywan slabych bez zmiany zapachu przenoszonych przez Z0, a nie pozwala na oddzialywania ze zmiana zapachu.

21 1973 Donald Perkins zainspirowany przewidywaniem Modelu Standardowego, ponownie analizuje stare wyniki z CERN i znajduje wskazowki na istnienie slabego oddzialywania bez wymiany ladunku (przenoszonych przez Z0). 1973 Sformulowano kwantowa teorie pola silnych oddzialywan. Ta teoria kwarkow i gluonow (obecnie czesc Modelu Standardowego) jest podobna w strukturze do elektrodynamiki kwantowej (QED), lecz poniewaz silne oddzialywanie zalezy od ladunku kolorowego, teoria ta nazwana zostala kwantowa chromodynamika (QCD). Kwarki sa uwazane za czastki realne posiadajace ladunek kolorowy. Gluony sa bezmasowymi kwantami pola silnego oddzialywania. Ta teorie silnych oddzialywan zaproponowali po raz pierwszy Harald Fritzsch i Murray Gell-Mann.

22 1973 David Politzer, David Gross i Frank Wilczek odkryli, ze kolorowa teoria silnych oddzialywan posiada specjalna wlasciwosc, zwana teraz "asymptotyczna swoboda". Wlasciwosc ta jest konieczna dla opisu danych doswiadczalnych na temat skladnikow protonu z lat 1974 W swoim podsumowaniu wygloszonym na konferencji, John Iliopoulos przedstawia jako pierwszy wizje fizyki obecnie zwana Modelem Standardowym. Aby zrozumiec rozmaite szczegoly Modelu Standardowego odwiedz Sciezke Modelu Standardowego. 1974 Burton Richter i Samuel Ting prowadzac niezalezne eksperymenty, oznajmili tego samego dnia o odkryciu tej samej nowej czastki. Ting i jego zespol w Brookhaven nazwali te czastke "J", podczas gdy Richter z zespolem w SLAC nazwali ja "psi". Jako ze ich odkrycia sa jednakowo ważne, czastka jest powszechnie znana jako J/psi. Czastka J/psi jest mezonem zawierajacym powab i anty-powab.

23 1976 Gerson Goldhaber i Francois Pierre odkrywaja mezon D0 (kwarki anty-gorny i powabny). Przewidywania teoretyczne wspaniale zgadzaja sie z wynikami doswiadczalnymi potwierdzajacymi slusznosc Modelu Standardowego. 1976 Martin Perl ze wspolpracownikami odkrywa w SLAC lepton tau. Lepton ten, nalezacy do trzeciej "rodziny" czastek byl zupelnie nieoczekiwany. 1977 Leon Lederman ze wspolpracownikami w Fermilab odkrywaja nastepny kwark (oraz jego antykwark). Kwark ten nazwany zostal "denny" (bottom). Poniewaz fizycy spodziewaja sie, ze kwarki chodza parami, odkrycie to wzmoglo poszukiwania szostego kwarku -- kwarku "szczytowego" (top). 1978 Charles Prescott i Richard Taylor obserwuja slabe oddzialywanie przenoszone przez Z0 w rozpraszaniu spolaryzowanych elektronow przez deuter, ktore wykazuje niezachowanie parzystosci, jak to przewidywal Model Standardowy.

24 1979 Dowod na gluony emitowane przez kwark lub antykwark znaleziono w akceleratorze o zderzajacych sie wiazkach PETRA w laboratorium DESY w Hamburgu. 1983 Bozony posredniczace W± and Z0 wymagane przez teorie elektroslaba zostaly zauwazone w dwoch eksperymentach na akceleratorze w CERN z wykorzystaniem metod zderzania protonow z antyprotonami, ktore opracowali Carlo Rubbia and Simon Van der Meer. 1989 Eksperymenty wykonane w SLAC i CERN wykazuja przekonywajaco, ze istnieja tylko trzy rodziny czastek fundamentalnych. Wynika to czasu zycia bozonu Z0, ktorego wartosc teoretyczna jest zgodna z doswiadczeniem tylko przy tym zalozeniu. 1995 Po szesnastu latach poszukiwan na wielu akceleratorach, eksperymenty CDF i D0 w Fermilab odkrywaja kwark szczytowy (top) z niespodziewanie duza masa 175 GeV. Nikt nie wie dlaczego masa ta jest tak bardzo rozna od mas pozostalych pieciu kwarkow.

25 Czy atom jest cząstka elementarna?
Okolo 1900 roku ludzie mysleli o atomach jako o malych kuleczkach. Ale fakt, ze atomy moga byc sklasyfikowane wedlug ich wlasnosci chemicznych (jak w ukladzie okresowym) sugeruje, ze atomy nie sa czastkami elementarnymi. Oprocz tego eksperymenty uzywajace innych czastek jako probnikow i pozwalajace "zajrzec" do wnetrza atomu pokazuja, ze atomy maja strukture i nie sa po prostu jednolitymi kuleczkami. Te doswiadczenia pozwolily ustalic, ze atomy posiadaja dodatnio naladowane ciezkie jadro otoczone chmura elektronow (e).

26 Czy jądro atomowe jest cząstka elementarną?
Wiele lat pozniej uczeni odkryli, ze jadro atomu jest zbudowane z protonow (p) oraz z neutronow (n).

27 Czy protony i neutrony są cząstkami elementarnymi?
Okazuje sie, ze nawet protony i neutrony nie sa czastkami elementarnymi -- sa one zbudowane z jeszcze bardziej fundamentalnych czastek zwanych kwarkami. Obecnie fizycy uwazaja, ze wlasnie kwarki i elektrony sa tymi najbardziej fundamentalnymi skladnikami materii. (Jednakze, jest to problem doswiadczalny.)

28 Kwarki i skala Rzeczy Wiemy z cala pewnoscia, ze kwarki i elektrony sa mniejsze niz 10 do potegi -18 metra, jest wiec mozliwe ze nie maja one w ogole zadnego rozmiaru. Jest tez mozliwe, ze kwarki i elektrony nie sa czastkami elementarnymi, ale zbudowane sa z jeszcze mniejszych czasteczek. (Czy to sie kiedykolwiek skonczy?) Podsumowujac, wiemy ze atomy sa zbudowane z protonow, neutronow i elektronow. Protony i neutrony sa zbudowane z kwarkow, ktore byc moze sa zbudowane z jeszcze bardziej podstawowych czastek ale, mamy nadzieje ze nie sa.

29 Cząstki elementarne Aby zrozumiec jak zbudowany jest wszechswiat
fizycy wciaz poszukuja nowych rodzajow czastek i oddzialywan. Zastanawiaja sie tez, czy te czastki ktore aktualnie uwazane sa za elementarne, sa rzeczywiscie elementarne. Fizycy odkryli okolo 200 czastek (wiekszosc z nich nie jest czastkami elementarnymi, choc tak kiedys je nazywano). Nazywaja je literami z alfabetu lacinskiego i greckiego.

30 Model Standardowy Fizycy stworzyli teorie, zwana Modelem Standardowym, aktora opisuje materie oraz wszystkie sily we wszechswiecie (z wyjatkiem grawitacji). Potrafi ona wyjasnic skomplikowane procesy oraz budowe i wlasnosci setek czastek przy pomocy kilku tylko czastek elementarnych i oddzialywan pomiedzy nimi.. I w tym tkwi jej piekno. Czastki przenoszace oddzialywania: Kazde elementarne oddzialywanie jest "przenoszone" przez czastke (przykladem moze byc foton). Czastki materii: Wedlug Modelu Standardowego wiekszosc znanych nam czastek jest zbudowana z kilku elementarnych obiektow zwanych kwarkami. Istnieje takze inna klasa elementarnych czastek materii zwanych leptonami (przykladem moze byc elektron). Tak wiec istnieja dwa rodzaje czastek: czastki ktore sa materia (jak elektrony, protony, neutrony i kwarki) oraz czastki, ktore przenosza oddzialywania (jak fotony).

31 Cząstki w Modelu Standardowym
Zastanawialismy sie nad czastkami materii opisywanymi przez Model Standardowy. Podsumowujac...

32 W Modelu Standardowym budowa wszystkich zaobserwowanych czastek moze byc opisana przy uzyciu:
6 rodzajow leptonow 6 rodzajow kwarkow, oraz... Czastek przenoszacych oddzialywania Dla kazdej czastki materii istnieje jej antyczastka.

33 Antymateria Dla kazdej czastki (materia) istnieje odpowiednia antyczastka (antymateria). Antyczastki sa identyczne z odpowiednimi czastkami za wyjatkiem tego, ze posiadaja przeciwne ladunki (np. ladunek elektryczny) liczby kwantowe (np. liczba leptonowa, barionowa, dziwnosc itp). Dla przykladu : proton ma dodatni ladunek elektryczny, antyproton zas ujemny. Oba za to maja taka sama mase, identycznie wiec oddzialuja grawitacyjnie. Kiedy spotkaja sie czastka oraz jej antyczastka, to unicestwiaja sie wzajemnie : masa zamienia sie w czysta energiee. Z tej energii moze sie potem utworzyc nienaladowana czastka przenoszaca oddzialywania, taka jak foton, bozon Z albo gluon. Troche terminologii: Czastke antymaterii oznacza sie piszac symbol odpowiedniej czastki materii i stawiajac nad nim kreske. Na przyklad, proton ( ) ma odpowiednia antyczastke zapisywana jako i nazywana antyprotonem. Antyczastka elektronu (e-) jest pozyton (e+).

34 Generacje cząstek materii
Zauwazmy, ze zarowno kwarki jak i leptony wystepuja w trzech grupach. Kazda z tych grup nazywamy generacja czastek materii. Czastki z kazdej nastepnej generacji maja coraz wieksza mase. Cala widoczna materia we wszechswiecie jest zbudowana z czastek pierwszej generacji: kwarkow gornego (up) i dolnego (down) oraz elektronow. Czastki drugiej i trzeciej generacji sa niestabilne i rozpadaja sie tworzac czastki pierwszej generacji. Z tego powodu cala stabilna materia we wszechswiecie jest zbudowana z czastek pierwszej generacji.

35 Dlaczego generacje cząstek materii?
Pojawia sie pytanie: jesli prawie nigdy nie obeserwujemy we wszechswiecie czastek z wyzszych generacji, to co powoduje, ze one w ogole istmieja? Kiedy w roku 1936 odkryty zostal mion ( ) fizyk I.I. Rabi zapytal sie "Kto to zamowil?": Bez zrozumienia mechanizmu wyjasniajacego istnienie drugiej i trzeciej generacji czastek nie mozna wykluczyc, ze istnieja jeszcze inne, ciezsze kwarki i leptony. Mozliwe, ze kwarki i leptony nie sa czastkami elementarnymi, lecz sa zbudowane z jeszcze mniejszych skladnikow, ktorych wzajemne oddzialywanie ujawnia sie na zewnatrz jako rozne generacje czastek.

36 Cztery rodzaje oddziaływań.
Caly znany nam wszechswiat istnieje, poniewaz czastki elementarne oddzialywuja, czy to rozpadajac sie, anihilujac, lub tez odpowiadajac na sily powstale wskutek obecnosci innych czastek (np. podczas zderzen). Sa trzy rodzaje oddzialywan pomiedzy czastkami (silne, slabe, grawitacyjne i elektromagnetyczne): Powinnismy pamietac o nastepujacych definicjach: Sila: Efekt wywarty na dana czastke przez obecnosc innej czastki. Oddzialywanie: Sily i rozpady jakim podlega dana czastka. Slowo "oddzialywanie" nie oznacza tego samego co slowo "sila", "oddzialywanie" jest okresleniem o szerszym znaczeniu. Czesto te slowa sa zamieniane, ale fizycy wola slowo "oddzialywanie".

37 ANION Jon ujemny; atom lub grupa atomów wykazująca ujemny ładunek elektryczny. Aniony mają nadmierną liczbę elektronów; tworzą się np. podczas dysocjacji elektrolitycznej.

38 BARIONY Cząstki o spinie połówkowym.
Do barionów zalicza się hiperony i nukleony oraz ich stany rezonansowe. Bariony biorą udział w oddziaływaniach silnych, a także elektromagnetycznych i słabych

39 Tablica barionów

40 BOZONY- CZĄSTKI BOSEGO
Cząstki o spinie całkowitym. Są nimi fotony, mezony, układy złożone z bozonów, a także układy złożone z parzystej liczby fermionów. Liczba bozonów w dowolnym stanie kwantowym nie jest ograniczona, a układ taki opisywany jest funkcją falową.

41 DEUTERON Jądro atomu deuteru -wodoru ciężkiego. Składa się z protonu i neutronu. Liczba atomowa 1, liczba masowa 2. Oznaczany symbolem chemicznym D+ lub symbolem d, stosowany jest do wywoływania reakcji jądrowych.

42 ELEKTRON Trwała cząstka elementarna o masie spoczynkowej 9,1 · 10-31kg, ujemnym ładunku elektrycznym 1,6 · 10-19C i spinie , odkryta w 1897r przez J.J. Thomsona. Obok protonów i neutronów elektrony są podstawowymi składnikami materii, tworzącymi w atomach powłoki elektronowe, których struktura decyduje o właściwościach fizycznych i chemicznych materii. Elektron posiada swoją antycząstkę - pozyton, o dodatnim ładunku elektrycznym równym ładunkowi negatonu. Elektrony występują też jako cząstki swobodne, wyrwane z atomów w wyniku dostarczenia im odpowiedniej energii większej od pracy wyjścia (pracy, jaką trzeba wykonać, by przemóc siły wiążące elektron z atomem , np. w zjawisku fotoelektrycznym lub w wyniku termoemisji). Elektrony swobodne powstają też w przemianach promieniotwórczych lub rozpadach innych cząstek elementarnych. Wiązki elektronów, mające też właściwości falowe zgodnie z hipotezą de Broglie'a, znalazły ważne zastosowanie w mikroskopach elektronowych.

43

44 FERMIONY Cząstki podlegające statystyce kwantowej Fermiego-Diraca -stąd nazwa. Charakteryzują się spinami połówkowymi. Do fermionów należą m.in. elektrony, nukleony, neutrina

45

46 FONON Kwant energii pola elektromagnetycznego, cząstka elementarna o masie spoczynkowej m 0 = 0, l ,liczbie spinowej s = 1, nie posiadająca ładunku elektrycznego ani momentu magnetycznego, poruszająca się z prędkością światła w próżni. Foton jest kwantem ( czyli porcją) promieniowania elektromagnetycznego; jego energia (E), pęd (p) i masa (m) zależą od częstotliwości (ν) promieniowania i są równe: E = hν, p = hν /c, m = h ν /c2, gdzie: h = 6,62*10-34 Js (stała Plancka). Fotony powstają w wyniku przejścia atomu lub jądra atomowego z wyższego na niższy poziom energetyczny. I odwrotnie - gdy atom lub jądro pochłania foton, to przechodzi z niższego na wyższy poziom energetyczny. Ponieważ różnica energii pomiędzy poziomami energetycznymi jest ściśle określona, wielkość fotonów emitowanych lub absorbowanych przez dany atom lub jądro nie może być dowolna, lecz jest równa tej różnicy. Wynikiem absorpcji fotonu może być zjawisko fotoelektryczne lub fotoreakcja jądrowa. Hipotezę istnienia fotonu wysunął w 1905r A. Einstein na podstawie koncepcji kwantów M. Plancka.

47

48 GLUON Cząstka elementarna,
bozon pośredniczący w oddziaływaniach silnych kwarków. W oddziaływaniach silnych gluony, odmiennie niż fotony w elektromagnetyzmie, oddziałują ze sobą. Gluony istnieją w ośmiu stanach ładunkowych (tzw. kolorach). Dotychczas nie zaobserwowano swobodnego gluona (być może jest to w ogóle niemożliwe), jednak istnieją silne przesłanki doświadczalne ich istnienia. Nazwa pochodzi od angielskiego słowa “glue” (klej)

49

50 GRAWITON Przewidywany teoretycznie, lecz dotąd nie zaobserwowany kwant pola grawitacyjnego. Według kwantowej teorii pola grawiton powinien mieć masę spoczynkową równą zero i spin równy 2.

51 HADRONY Rodzaj najprostszych cząstek elementarnych biorących udział we wszystkich rodzajach oddziaływań (zwłaszcza oddziaływań silnych). Dzielą się na bariony (fermiony o spinie połówkowym) i mezony (bozony o spinie całkowitym). Większość hadronów jest nietrwała. Składają się z kwarków, np. bariony są zbudowane z 3 kwarków, mezony zaś z pary kwark-antykwark. Mają rozmiar rzędu metra.

52 HIPERONY Cząstki elementarne z grupy barionów, cięższe od nukleonów, lecz lżejsze od deuteronów. Hiperony powstają w zderzeniach mezonów i nukleonów z nukleonami lub jądrami atomowymi . Są cząstkami nietrwałymi, o średnim czasie życia rzędu sekundy, rozpadają się zazwyczaj w procesach oddziaływań słabych, niekiedy w procesach oddziaływań silnych lub elektromagnetycznych. Pierwszy hiperon został odkryty w 1947 r przez G.D. Rochestera i C.C. Butlera.

53 JON Atom lub grupa atomów obdarzona ładunkiem elektrycznym; powstają w wyniku jonizacji, przyłączania elektronów do obojętnych atomów lub cząsteczek i dysocjacji elektrolitycznej. W zależności od liczby posiadanych ładunków elementarnych (przyłączonych lub utraconych elektronów) mogą być jedno-, dwu-, trój- itd. dodatnie (kationy) lub ujemne (aniony). Charakteryzuje je również określony promień jonowy i budowa powłoki elektronowej. Jak elektrony są nośnikami prądu elektrycznego (mogą się przemieszczać w polu elektrycznym). W gazach szybko zobojętniają się ( ulegają rekombinacji), w roztworach elektrolitów są trwałe dzięki wzajemnemu oddziaływaniu z rozpuszczalnikiem, występują też w węzłach sieci krystalicznej tzw. kryształów jonowych. Jony swobodne łatwo reagują ze sobą i innymi substancjami chemicznymi. W organizmach żywych występują we wszystkich tkankach i cieczach organicznych (wpływając np. na biochemiczne właściwości białek). Nazwę jonów wprowadził w 1824r M. Faraday

54 KATION Jon dodatni, atom lub cząsteczka z niedomiarem elektronów. Przykłady: kation (prosty) sodu Na+, kation potasu K+, kation wapnia Ca2+, kation (złożony) amonu NH4+, kation (kompleksowy) heksaaminaniklu(II) [Ni(NH3)6]2+. W procesie elektrolizy kationy wędrują do katody (elektroda).

55 KWARKI Podstawowe, uznawane za najbardziej elementarne, cząstki materii, z których zgodnie ze współcześnie przyjętymi modelami zbudowane są hadrony. W przyrodzie istnieje 6 kwarków i 6 odpowiadających im antykwarków. Ich odmiany (tzw. zapachy) oznaczone są pierwszymi literami angielskich nazw: u (up - górny), d (down - dolny), s (strange - dziwny), c (charm - powabny), b (beauty - piękny, nazywany także bottom - denny) oraz t (true - prawdziwy lub inaczej top - szczytowy). Wszystkie kwarki mają spin ½ liczbę barionową 1/3 oraz jedną z dwóch wartości ładunku elektrycznego; kwarki u, c, t ładunek 2/3 e, natomiast kwarki d, s, b ładunek 1/3 e ( e - ładunek elementarny). Kwarki podobnie jak gluony wiążące kwarki w hadron nie mogą występować jako samoistne obiekty. Tworzą one inne cząstki (np. protony, neutrony), a jako składniki doskonałe nie mogą być z nich wydzielone.

56 Wg modelu kwarkowego kwarki i antykwarki (różniące się od kwarków w oznaczeniach kreską nad symbolem) o ładunkach ułamkowych tworzą cząstki o ładunkach całkowitych, np.: proton o ładunku + 1e tworzony jest przez 2 kwarki u i 1 kwarek d, neutron - 2 kwarki d i 1 kwarek u, mezon+ - po jednym kwarku u i d. Hipoteza zakładająca istnienie kwarków jako podstawowych składników hadronów została sformułowana w 1964 r, niezależnie, przez M. Gell-Manna i G. Zweiga. Nazwa kwarków wprowadzona przez M. Gell-Manna . Poszukiwania dowodów istnienia kwarków trwały wiele lat. Pierwsze kwarki zaobserwowano w 1968 r w Laboratorium Stanforda w USA, a istnienie ostatniego z sześciu kwarków - (t) - potwierdziły wyniki badań przeprowadzonych w 1994 r. Odkrycie to uznano za potwierdzenie słuszności modelu standardowego, najbardziej zaawansowanego modelu świata materialnego..

57 Oni otrzymali Nobla za kwarki

58 LEPTONY Cząstki elementarne nie biorące udziału w oddziaływaniach silnych, np. neutrina, elektrony, miony. Wszystkie leptony są fermionami, mają spin połówkowy i liczbę barionową równą 0.

59

60 MEZONY Silnie oddziałujące cząstki elementarne o spinie całkowitym i zerowej liczbie barionowej. Do najlepiej poznanych należą piony (mezony pi) i kaony (mezony K). Nazwa pochodzi od greckiego mésos - pośredni, bowiem mezony mają masę pośrednią między masą elektronu i masą protonu.

61

62 MIONY , μ Cząstki elementarne o ładunku elektrycznym równym ładunkowi elektronu i masie 105,7 MeV. Są nietrwałe (średni czas życia wynosi 2,197 *10-6 s). Mają własności podobne do elektronów. Odkryte 1937 przez C.D. Andersona i S.H. Neddermeyera.

63 NEGATON Nazwa wprowadzona 1948 dla ujemnego elektronu, w odróżnieniu od elektronu dodatniego -pozytonu, wraz z którym tworzy pierwszą poznaną parę „cząstka – antycząstka”

64 NEUTRINO , ν Trwała cząstka elementarna z grupy leptonów o ładunku elektrycznym równym zeru i spinie połówkowym oraz bardzo małej masie spoczynkowej. Neutrina są produktem promieniotwórczego rozpadu β, wychwytu elektronu i rozpadu mionów oraz mezonów π i K (istnieją neutrina elektronowe , neutrina mionowe, neutrina taonowe ). Każdy cm2 powierzchni Ziemi wypromieniowuje co sekundę ok. 1 mln neutrinów. Neutrino zostało w 1931r przewidziane teoretycznie przez W. Pauliego, a zaobserwowane w 1956 r przez F. Reinesa i C.L. Cowana.

65 NEUTRON Cząstka elementarna z grupy barionów. Ładunek elektryczny 0, masa 1,67 · 10-27kg, spin połówkowy. Neutron wraz z protonami (jako nukleony) wchodzą w skład jąder atomowych. Swobodny neutron ulega rozpadowi β na proton, elektron i antyneutrino elektronowe. Średni czas życia 0,93 · 103 s. Dzięki zerowemu ładunkowi elektrycznemu neutron wykorzystuje się w badaniach jąder atomowych (brak kulombowskiej bariery potencjału pozwala neutronowi łatwo przenikać do jądra atomowego). Neutron został odkryty w 1932 r przez J. Chadwicka.

66

67 NUKLEON Cząstka elementarna, podstawowy składnik materii jądrowej, istniejąca w dwóch stanach ładunkowych: nukleon naładowany dodatnio - proton, nukleon elektrycznie obojętny - neutron. Masa obu nukleonów w przybliżeniu wynosi 939 MeV/c2. Zgodnie z teorią Diraca nukleony mają antycząstki (tzw. antynukleony), których istnienie zastało potwierdzone doświadczalnie. Nukleony biorą udział w oddziaływaniach silnych, elektromagnetycznych i słabych. Liczba nukleonów w jądrze jest zwana liczbą masową, ale w atomach danego pierwiastka może być zmienna -izotopy.

68 PARTONY Wspólna nazwa dla cząstek będących składnikami barionów i mezonów. Hipoteza partonów sformułowana została po odkryciu złożoności protonu przez R. Hofstadter. Wykorzystywana jest w obliczeniach. Zgodnie z obecnym stanem wiedzy partonami są gluony, kwarki i antykwarki.

69 POZYTON Cząstka elementarna (antycząstka negatonu) o takiej samej masie jak masa elektronu, lecz o elementarnym ładunku dodatnim. Swobodny pozyton jest cząstką trwałą. Jego zderzenie z negatonem prowadzi do anihilacji. Odkryty w 1932 r przez C.D. Andersona.

70 Kiedy elektron i pozyton (antyelektron) zderzaja sie przy wysokiej energii moga aninihilowac produkujac mezony D+ i D- (czastki powabne). Rysunek 1: Elektron i pozyton zmierzaja ku swej pewnej zagladzie. Rysunek 2: Zderzaja sie i anihiluja, uwalniajac kolosalne ilosci energii. Rysunek 3: Elektron i pozyton zanihilowaly w wirtualny foton, lub wirtualna czastke Z , z ktorych obie sa wirtualnymi czastkami, nosnikami oddzialywan. Rysunek 4: Z wirtualnego nosnika oddzialywania tworzy sie powabna para: kwark c i antykwark c Rysunek 5: Kwark i antykwark zaczynaja sie oddalac od siebie, napinajac pole sil kolorowych (pole gluonowe) pomiedzy soba.

71 Rysunek 6: Oddalanie kwarkow trwa.
Rysunek 7: Energia nagromadzona w polu sil wzrasta z odlegloscia pomiedzy kwarkami. Gdy jest jej dostatecznie duzo zostaja zamieniona w pare kwark i anty-kwark (pamietaj ). Rysunki 8-10: kwarki i antykwarki grupuja sie w neutralne kolorowo czastki: D+ (mezon skladajacy sie z kwarku powabnego i antykwarku dolnego) oraz D- (mezon skladajacy sie z antykwarku powabnego i kwarku dolnego) Stany posrednie tego procesu pojawiaja sie w czasie krotszym niz jedna milardowa, miliardowej, miliardowej czesci sekundy i sa niemozliwe do zaobserwowania.

72 PROTON Trwała cząstka elementarna o masie spoczynkowej 1,67* kg, elementarnym ładunku dodatnim 1,60* C i spinie ½. Składnik każdego jądra atomowego. Liczba protonów w jądrze atomowym stanowi niepowtarzalną cechę charakterystyczną danego pierwiastka zwaną liczbą atomową (Z). Odkryty w 1919 r przez E. Rutherforda. W 1955 r odkryto antycząstkę protonu - antyproton

73 TACHIONY Hipotetyczne cząstki o prędkościach większych od prędkości światła w próżni. Ruch tachionu byłby równoważny poruszaniu się wstecz w czasie.

74 Literatura