Wstęp do fizyki cząstek Piotr Traczyk INFN/CERN

Co to jest fizyka cząstek? Fizyka cząstek to nauka o tym z czego składa się świat, który nas otacza. Fizyka cząstek zajmuje się: podstawowymi składnikami z którch zbudowana jest materia – cząstkami elementarnymi oddziaływaniami pomiędzy tymi cząstkami

Z czego składa się materia? Tales, 600 p.n.e. - cztery żywioły Demokryt, 400 p.n.e. - atomy Arystoteles, 350 p.n.e. - pierwiastki Boyle, 1689 – pierwiastki Dalton, 1808 – atomy, niepodzielny składnik pierwiastków Thomson, 1897 – elektron, 1904 – model atomu Kolejny krok –> fizyka jądrowa

Fizyka jądrowa Marzenie alchemików – zamiana jednych pierwiastków na inne Ale nie tylko: Rozszczepienie uranu Cykl reakcji termojądrowych dzięki którym Słońce świeci

Z czego składa się materia? Stan na początek XX wieku – 5 cząstek wystarczy żeby opisać „prawie wszystko”: Elektron Proton i Neutron Neutrino (postulowane przez Pauliego w 1930, zaobserwowane w 1956) Foton Ale 1936 – odkrycie mionu (choć dopiero w okolicach 1950 zrozumiano co właściwie odkryto...)

Nowe cząstki Z początku szukano nowych cząstek używając „żródeł naturalnych” - głównie w oddziaływaniach promieniowania kosmicznego z atmosferą Kolejny krok: przyspieszanie i zderzanie jąder – tworzenie nowych pierwiastków „na żądanie” W latach powojennych odkryto całe „zoo” nowych cząstek Gell-Mann (1964) Hipoteza kwarków – kilka składników z których można „budować” inne cząstki jak z klocków Proton i neutron -> cząstki elementarne złożone

Proton i Neutron 2/3+2/3-1/3 = 1 2/3- 1/3-1/3 = 0

Klasyfikacja cząstek (stan na dziś) ? Bariony Bozony Fermiony Hadrony Kwarki Leptony Mezony

Pierwsze kryterium Podział ze względu na spin* – całkowity czy połówkowy Spin całkowity – bozony Spin połówkowy – fermiony (*) spin – kwantowa własność cząstek zachowująca się jak „wewnętrzny moment pędu”

Mechanika Kwantowa (1)‏ Dualizm korpuskularno-falowy:  = h/p (Louis de Broglie, 1924)‏ Popularny przykład – światło, doświadczenie Younga vs zjawisko fotoelektryczne Ale na tym nie koniec! „paradoks” dotyczy nie tylko fotonów...

Elektrony jako fale 1927 r. - dyfrakcja elektronów na krysztale, C. J. Davisson, L. H. Germer, (Nobel w 1937 r.)‏ 1957 r. - doświadczenie Younga dla elektronów, J. Faget, C. Fert UWAGA! Elektrony przelatywały przez szczeliny pojedynczo – z czym interferuje pojedynczy elektron...? Jak „duże” cząstki mogą interferować? 2013 – cząstki składające się z 810 atomów każda...

Bozony - nośniki oddziaływań Jak opisujemy oddziaływania w świecie cząstek? Przykład: rozpraszania elektronów zachodzi przez wymianą fotonu Pytanie: skąd elektron wie, że ma wysłać foton? Odpowiedź: nie wie, więc robi to bez przerwy... Jak to naprawdę jest z przyciąganiem? Czym sie różni e+e+ od e+e-? Foton ten może istnieć co najwyżej przez czas t, a ponieważ porusza się z prędkością światła, może przebyć co najwyżej drogę r = ct. Jeżeli wyrazimy wzór na energię wirtualnego fotonu w zależności od tej drogi, to okaże się, że jest ona dokładnie równa energii oddziaływania coulombowskiego między elektronami.

Mechanika Kwantowa (2)‏ Zasada nieoznaczoności Heisenberga: x · p >= ħ/2 Nie można jednocześnie zmierzyć pędu i położenia cząstki z dowolną dokładnością Analogia – położenie i częstotliwość fali  = h/p

Cząstki wirtualne Inna postać zasady nieoznaczoności: E·t>=ħ/2 Elektron otoczony chmurą wirtualnych fotonów – cząstek powstałych „na kredyt” Zasada zachowania energii + zasada nieoznaczoności -> Czas przez który taki foton może istnieć jest związany z jego energią == prawo Coulomba Jeśli wirtualny foton trafi na elektron, następuje przekaz pędu – oddziaływanie

Oddziaływania elementarne Silne 8 gluonów Elektromagnetyczne 1 foton Słabe 3 bozony W+ W- Z0 Grawitacja 1 grawiton (?)

O uwięzieniu kwarków Oddziaływania silne nie słabną wraz z odległością (!) Siła ~stała powyżej pewnej odległości Więc energia potencjalna rośnie, około 1 GeV/fm W końcu energii wystarcza na kreację np. pary kwark- antykwark

Klasyfikacja cząstek Fermiony vs Bozony

Drugie kryterium – czy oddziałują silnie Tak

Hadrony – cząstki zbudowane z kwarków Ładunek silny kwarków – Kolor (RGB) Cząstki utworzone z kwarków muszą być „kolorowo neutralne” - białe Dwie możliwości: Trzy kwarki o różnych kolorach – bariony. Np. Proton, neutron. Para kwark-antykwark – mezony. Uwaga – mezony mają spin całkowity więc są bozonami. Ale nie są to już cząstki elementarne.

Klasyfikacja - podsumowanie Fermiony kwarki leptony bariony (3 kwarki) Bozony nośniki oddziaływań mezony (kwark - antykwark) hadrony

Klasyfikacja - podsumowanie Fermiony kwarki leptony bariony (3 kwarki) Bozony nośniki oddziaływań mezony (kwark - antykwark) hadrony

Model Standardowy Matematyczny opis oddziałwyań elektromagnetycznych, słabych i silnych, w języku „kwantowej teorii pola” Rozwinięty w latach '70 poprzedniego stulecia Bardzo dobrze zgodny z doświadczeniem, kilka spektakularnych sukcesów – odkrycie bozonów W i Z (1983 CERN), kwarku top (1995 Fermilab) oraz 2012 – bozon Higgsa (?) A jednak fizycy wciąż szukają dziury w całym...

Problemy Modelu Standardowego Typ I – opisuje ale nie wyjaśnia Masy cząstek, siły oddziaływań itp. Dlaczego trzy rodziny fermionów ładunek protonu = - ładunek elektronu

Problemy Modelu Standardowego Typ II – braki i niezgodności Masy cząstek – nie potwierdzony jeszcze do końca doświadczalnie mechanizm Higgsa Ciemna materia Asymetria materia-antymateria Grawitacja – całkowicie pominięta

Problemy Modelu Standardowego Typ III – pasuje do danych Bezpośrednie pomiary jak dotąd całkowicie zgodnie z modelem Próby zaobserwowania procesów/cząstek wykraczających poza Model Standardowy – jak dotąd bezskuteczne Silne przesłanki, że coś chowa się tuż za rogiem...

Extra