Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Ewolucja Wszechświata Wykład 4. cząstki elementarne i oddziaływania.

Коpie: 2
Ewolucja Wszechświata Wykład 4. cząstki elementarne i oddziaływania.

FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych Wykład 6 – cząstki elementarne i oddzialywania.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Ewolucja Wszechświata Wykład 4. cząstki elementarne i oddziaływania."— Zapis prezentacji:

1 Ewolucja Wszechświata Wykład 4

2 cząstki elementarne i oddziaływania

3 co jest elementarne? m atom m jądro m nukleon kwark elektron brak struktury!

4 elementarność – 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)

5 elektron Thomson (1895) – promienie katodowe elektroliza emisja elektronów czas życia:stabilny masa:m = MeV ładunek:z = -1 barionowy:B = 0 leptonowy:L = 1 spin:J = ½ moment magnetyczny: P.A.M.Dirac

6 proton Rutherford (1919) – emisja po reakcji + N czas życia:stabilny masa:m = MeV ładunek:z = 1 barionowy:B = 1 leptonowy:L = 0 spin: J = ½ moment magnetyczny: struktura?

7 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:

8 neutron Chadwick (1930) czas życia: = 14.8 min,n p + e + e masa:m = MeV ładunek:z = 0 barionowy:B = 1 leptonowy:L = 0 spin: J = ½ moment magnetyczny:

9 pozyton P.A.M.Dirac (1928) – relatywistyczne równanie falowe spin moment magnetyczny oraz energia: mc 2 -mc 2 0 cząstka (elektron) dziura (pozyton) Carl Anderson (1932) – odkrycie w komorze mgłowej z polem B

10 kreacja pary foton pozyton elektron h min = 2m e c MeV

11 lawiny fotonowo-elektronowe

12 anihilacja hamowanie pozytonium anihilacja 2 fotony E 0.5 MeV pozyton elektron foton

13 neutrino Pauli (1931) – przewidział istnienie na podstawie analizy rozpadu czas życia:stabilny masa: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

14 więcej cząstek – miony ( C.Anderson i S.Neddermeyer – promieniowanie kosmiczne) rozpady mionów: 1947, fotoemulsja: e + + e + e + + e + m 200 m e = (105 MeV) oraz + (antycząstka) są nietrwałe – czas życia: s 1962 – dwa rodzaje neutrin: elektronowe i mionowe: (e, e ), (, )... a potem jeszcze taonowe (, )

15 odkrycie taonu SPEAR (energia zderzenia w środku masy = 4 GeV) e + + e e + + e +

16 więcej cząstek... Mezony (piony) Powell (1947) – promienie kosmiczne + emulsja jądrowa + + e+e+ e m 150 MeV e + + e + (e + + e + ) Istnieje oraz + (antycząstka)

17 0 w komorze pęcherzykowej + Xe T = 3.5 GeV

18 pierwsza fotografia cząstki V o π+π+ π-π- KoKo wtórne kosmiczne, h = 0 komora mgłowa B = 0.35 T, (Manchester Univ.) G.D.Rochester i C.C.Butler; Nature, 160, 855, (1947) m V = MeV = s Mezon K 0 – cząstka dziwna

19 wśród produktów rozpadu też: protony π-π- p o p MeV – proton p MeV – pion m V 1130 MeV Hiperon 0 – cząstka dziwna

20 hiperon omega K+K+ KoKo o p e e+e+ e e+e+ N.Samios, BNL (1964) komora Glasera H 2, 80 K p o + o o + o o p + K + p + K + + K o p 0 = 5 GeV/c o 2 2 ( e + e + ) o o Dziwność = -3

21 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

22 kwarki (spin = ½) i leptony (spin = ½) aromat (flavour) masa [MeV] ładunekleptonmasa [MeV] ładunek u – up górny /3 e - elektron = d – down dolny /3ν - neutrino elektronowe 0 < c – charm powabny /3μ -mion = 2.20·10 -6 s s – strange dziwny /3ν μ – neutrino mionowe 0 < t – top wierzchni /3τ - taon = 2.91· s b – bottom spodni /3ν τ – neutrino taonowe 0 < PPb 2002 Cząstki z różnych rodzin różnią się zapachem.

23 Hadrony z trzech kwarków – bariony z kwarku i antykwarku - mezony Z kwarków zbudowane są hadrony:

24 Bariony Większość masy hadronu to energia wiązania kwarków.

25 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)

26 Mezony

27 Leptony Leptony = (e, e ), (, ), (, ) + antycząstki są fermionami oddziałujacymi słabo, LeLe L L e, e +1,, e +, e 1 +, 1 1 inne0 0 0 Liczba leptonowa: Cząstki należące do różnych rodzin różnią się zapachem.

28 Rozpady leptonów Liczby elektronowe, mionowe i taonowe są zawsze zachowane, gdy ciężki lepton rozpada się na mniejsze leptony. Elektron i 3 rodzaje neutrin – trwałe Mion i taon - nietrwałe Czy te rozpady są możliwe? Liczba mionowa niezachowana Energia niezachowana

29 Oddziaływania Wirtualne cząstki przenoszące oddziaływanie Zasada nieoznaczoności: czas 1 cząstka wysyła i pochłania cząstki wirtualne 1 cząstka wysyła, a 2 cząstka pochłania cząstki wirtualne

30 Odziaływanie elektromagnetyczne Działa na ładunki elektryczne Odpowiedzialne za wiązania chemiczne Nośnik – foton ( ) Zasięg – nieskończony

31 Odziaływanie silne Działa na ładunki kolorowe Odpowiedzialne za wiązanie kwarków w barionach Nośniki – gluony Zasięg – m (odległość typowa dla kwarków w nukleonie)

32 R G B R B G Odziaływanie silne Kwarki mają ładunek kolorowy Istnieją tylko cząstki o całkowitym ładunku kolorowym równym zeru. Uwięzienie kwarków (kolorów)

33 Oddziaływanie między kwarkami rośnie wraz z odległością Oddziaływanie między elektronami maleje wraz z odległością

34 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 c mezon D - mezon D + Zamiana energii na masę

35 Oddziaływanie kolorowe q q g Ładunek kolorowy jest zawsze zachowany. Gluony muszą mieć ładunek kolorowy oraz ładunek antykolorowy, gdyż zmieniają one zawsze dany kolor w antykolor. 8 gluonów - 8 stanów kolorów – superoktet (SU3)

36

37 Oddziaływanie słabe Odpowiedzialne za rozpad ciężkich kwarków i leptonów na lżejsze kwarki i leptony (zmiana zapachu). Cząstki przenoszące oddziaływanie słabe to bozony: W +, W- W- i Z0.Z0. Oddziaływanie słabe i elektromagnetyczne opisuje jednolita teoria oddziaływań elektrosłabych. Masy W +, W - i Z 0 duże (~80 GeV) Zasięg mały

38 Oddziaływania elektrosłabe Małe odległości ( m) wielkie energie Oddziaływania słabe i elektromagnetyczne porównywalne. Większe odległości ( m) Oddziaływanie słabe jest razy mniejsze niż elektromagnetyczne

39 Słaby rozpad W e e e e W rozpadzie pośredniczy bozon W -

40 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.

41 Oddziaływania grawit.elektrosłabesilne (kolorowe) grawiton (?) masa [GeV] ładunekmasa [GeV] ładunek γW+W-ZoγW+W-Zo g - gluon 00 superoktet SU(3) 8 stanów koloru L. Lederman Boska cząstka Literatura:

42 Jak wytworzyć plazmę kwarkowo-gluonową? Zwiększyć: ciśnienie temperaturę Takie warunki panowały we Wszechświecie tuż po Wielkim Wybuchu

43 Plazma kwarkowo-gluonowa Względna gęstość materii jądrowej Temperatura, K 110 T c = K Gwiazdy neutronowe Wczesny Wszechświat

44 Zderzenia jąder o wielkich energiach – wytwarza się stan materii o wysokiej temperaturze i ciśnieniu. czas przestrzeń Stan przedrównowagowy Plazma kwarkowo -gluonowa Faza mieszana Gaz hadronowy Emisja cząstek

45 Brookhaven National Laboratory, Long Island (USA) Eksperyment rozpoczęty w 2000 roku RHIC - Relativistic Heavy IonCollider (Relatywistyczny Zderzacz Ciężkich Jonów)

46 Akcelerator w tunelu 4 m pod ziemią przyspiesza przeciwbieżne wiązki jąder atomowych do prędkości 99,95 prędkości światła. Wiązka odchylana jest w polu magnetycznym wytwarzanym przez nadprzewodzące magnesy umieszczone w ciekłym helu o temperaturze 4,5 K.

47 Energia zderzenia E cms = 200 GeV Tysiące zderzeń na sekundę Podczas zderzenia wytwarza się temperatura razy wyższa niż na Słońcu RHIC W eksperymentach bierze udział ponad 1000 fizyków z całego świata Grupa naukowców i studentów z Wydziału Fizyki P.W. uczestniczy w eksperymencie STAR

48 Rejestracja cząstek Cztery eksperymenty na zderzaczu RHIC

49 Rejestracja cząstek

50 Ekperyment STAR Zamiana energii w masę E = mc 2

51 W poszukiwaniu plazmy kwarkowo-gluonowej... W zderzeniu dwóch jąder ołowiu......mogą powstać nowe cząstki zwane J/PSI

52 W poszukiwaniu plazmy kwarkowo-gluonowej... Jeśli w zderzeniu powstanie plazma kwarkowo-gluonowa, to niektóre cząstki J/PSI ulegną zniszczeniu, za to powstaną inne cząstki – kwarki dziwne. Pojawi się też więcej cząstek rozpadających się na pary elektronowe. Badając, ile i jakich cząstek powstało w zderzeniu, możemy stwierdzić, czy uformowała się plazma kwarkowo- gluonowa i jak ewoluowała. Niestety, wyniki nie są jednoznaczne...

53 brak ośrodka Zderzenie protonu lub deuteronu z jądrem Nucleus- nucleus collision Proton/deuteron nucleus collision Medium?No Medium! Thomas K Hemmick, Stony Brook University Quark Matter 2004, Oakland CA Zderzenie jądro-jądro ośrodek?

54 The END of searching for the QGP The BEGINNING of measuring its properties 12D Correlations Heavy Quarks Direct Photons Leptons and its relation to CGC Miklos Gyulassy, Columbia University Quark Matter 2004, Oakland CA KONIEC poszukiwań plazmy kwarkowo-gluonowej POCZĄTEK badania jej własności

55 Sonic boom from quenched jets Casalderrey,ES,Teaney, hep-ph/ ; H.Stocker… the energy deposited by jets into liquid-like strongly coupled QGP must go into conical shock waves Wake effect or sonic boom Quark Matter 2005, Budapeszt Edward Shuryak State University of New York Plazma kwarkowo-gluonowa ma własności podobne do cieczy.

56 Następne przygotowywane eksperymenty: LHC (Large Hadron Colider) – 2007r. CERN Genewa (Szwajcaria/ Francja) Wielki Zderzacz Jonów

57 Eksperyment ALICE

58 Nowe możliwości badania materii Energia (GeV) 200 Liczba rejestrowanych cząstek 850 Temperatura (T/T c ) 1,9 Gęstość energii (GeV/fm 3 ) 5 Czas życia plazmy kwarkowo-gluonowej (fm/c) RHIC LHC Quark Matter 2004, Oakland CA Yves Schutz razy ? 3,0-4,2 goręcej gęściej 10 dłużej

59 Eksperyment ALICE 937 naukowców 77 instytutów 28 krajów Grupa naukowców i studentów z Wydziału Fizyki P.W.


Pobierz ppt "Ewolucja Wszechświata Wykład 4. cząstki elementarne i oddziaływania."

Podobne prezentacje


Reklamy Google