W poszukiwaniu elementarności czyli z czego zbudowany jest świat Poglądy starożytnych (bo porządny wykład musi zaczynać się od starożytnych Greków) Wczesne teorie „atomistyczne” Budowa atomu a fizyka kwantowa (tu będzie trochę trudniej) Odkrycia cząstek subatomowych – nadmiar szczęścia (z którym nie wiadomo co robić) Teoria kwarków Elementarne składniki materii – jak to widzimy dzisiaj 2017-03-26 Marek Kowalski

Pytanie „z czego jest zbudowany świat” intrygowało ludzi od wieków Tales z Miletu (VII/VI p.n.e.) - "Wszystko jest z wody, z wody powstało i z wody się składa" Anaksymenes z Miletu (VI p.n.e.) – prapierwiastkiem świata jest powietrze Heraklit z Efezu (VI/V p.n.e.) – pierwotnym tworzywem jest ogień Empedokles z Akragas (V p.n.e.) – świat zbudowany jest z czterech żywiołów pierwotnych tzw. pierwiastków: wody ognia powietrza ziemi Anaksagoras z Kladzomen (VI/V p.n.e.) – świat jest zbudowany z wielkiej liczby małych cząstek Demokryt z Abdery (V/IV p.n.e.) – świat zbudowany jest z jednolitych, niepodzielnych cząstek – atomów. Pogląd ten zwalczał m. in. Platon. Arystoteles ze Stagiry (IV p.n.e.) – pierwiastki są obdarzone charakterystycznymi cechami 2017-03-26 Marek Kowalski

Naukę Arystotelesa przejęli Rzymianie, a później Arabowie. W średniowieczu i w czasach Renesansu nauka Arystotelesa stała się podstawą nauki alchemików Arabski alchemik Dzabir Ibn Hajjan (~720 - ~813) – pierwiastkami są siarka i rtęć. Metale można otrzymać przez zmieszanie tych dwóch. Paracelsus (1493 – 1541) – teoria trzech pierwiastków – rtęć, siarka, sól. Robert Boyle (1627 – 1691) – odrodzenie teorii atomistycznej – cząsteczki składają się z atomów, będących najmniejszymi porcjami pierwiastków. Atomistyczną teorię wyznawał także Izaak Newton. Nowoczesną teorię atomistyczną sformułował w XIX w. John Dalton (1766 – 1844). Realność istnienia atomów potwierdziły prace Alberta Einsteina (1879 – 1955) i Mariana Smoluchowskiego (1872 – 1917) 2017-03-26 Marek Kowalski

Budowa atomu Sir Joseph J. Thomson (1856 – 1940) Nagroda Nobla 1906 Thomson badał przepływ prądu elektrycznego w gazach poddanych promieniowaniu X. Wniosek – w atomie istnieją cząstki , które wyzwalane przez promieniowanie X, są odpowiedzialne za przepływ prądu w gazach. Cząstki te nazwano elektronami. Thomson stwierdził, że masa elektronu jest 1000 razy mniejsza niż masa atomu wodoru. Naprawdę ten stosunek wynosi ~2000. Atom według Thomsona miał być kulką materii o ładunku dodatnim, w której zanurzone są elektrony. 2017-03-26 Marek Kowalski

Odkrycie jądra atomowego Sir Ernest Rutherford (1871 – 1937) Nagroda Nobla 1908 W roku 1911 Rutherford wykonał słynne doświadczenie z rozpraszaniem cząstek α na foli ze złota Większość cząstek rozpraszała się pod małymi kątami, ale 1 na 8000 rozpraszała się pod kątem bliskim 180 stopni. Rutherford: „To było tak, jakby piętnastocalowy pocisk, wystrzelony w kawałek bibułki, odbił się od niej  i trafił w strzelającego”. 2017-03-26 Marek Kowalski

Dlaczego wynik eksperymentu Rutherforda był tak niezwykły? Według modelu Thomsona wszystkie cząstki powinny przejść przez atom jak przez masło. Wynik eksperymentu Rutherforda wskazywał na istnienie w atomie dodatnio naładowanego jądra, skupiającego w sobie prawie cała masę Planetarny model atomu wg. Rutherforda 2017-03-26 Marek Kowalski

Problemy modelu Rutherforda Elektron krążący po orbicie wypromieniowuje energię, co musi skutkować jego spadkiem na jądro. Widmo takiego promieniowania musiało by być ciągłe – musiałoby obejmować wszystkie częstości. A co mówi na ten temat eksperyment? 2017-03-26 Marek Kowalski

Atom wodoru Bohra Niels Bohr (1885 – 1962) Nagroda Nobla 1922 Bohr oparł się na pracach Maxa Plancka, który wykazał, że promieniowanie jest emitowane w porcjach (kwantach) Postulaty Bohra: elektron krąży po swojej orbicie bez emisji promieniowania i może zajmować tylko ściśle określone orbity emisja promieniowania następuje przy przejściu z orbity wyższej na niższą ,przejście z orbity niższej na wyższą (wzbudzenie) wymaga dostarczenia określonej porcji energii 2017-03-26 Marek Kowalski

Krótkie podsumowanie - co już wiemy? Atom nie jest niepodzielny – składa się z jądra i elektronów Model Bohra wyjaśnił dyskretne widmo promieniowania atomów Czego brakuje? Czy jądro atomowe składa się wyłącznie z protonów? A co z izotopami? (jądra tego samego pierwiastka, różniące się masą) Sir James Chadwick (1891 – 1974) Nagroda Nobla 1935 1932 – odkrycie neutronu 2017-03-26 Marek Kowalski

Promieniowanie kosmiczne – wczesne laboratorium Victor F. Hess (1883 – 1964) Nagroda Nobla 1936 Wzrost jonizacji powietrza wraz z wysokością jest spowodowany przez promieniowanie jonizujące pochodzące spoza Ziemi (1912). Potwierdzenie eksperymentalne - 1933 Badanie promieniowania kosmicznego doprowadziło do odkrycia wielu nowych cząstek 2017-03-26 Marek Kowalski

Liczba cząstek nam rośnie… 1932 – mamy: e- ,p, n, ale czy to wszystko? Paul A. M. Dirac (1902 – 1984) Nagroda Nobla 1933 Dirac przewidział istnienie antycząstek. Carl D. Anderson (1905 – 1991) Nagroda Nobla 1935 1932 – odkrycie pozytronu (antyelektronu) skąd wiemy, że to pozytron? -> zachowuje się jak elektron, ale ma przeciwny ładunek elektryczny -> zakrzywienie toru w polu magnetycznym 2017-03-26 Marek Kowalski

To nadal nie wszystko… Wolfgang Pauli (1900 – 1958) Nagroda Nobla 1945 Zagadka rozpadu β (emisja e-) Gdyby rozpad β wyglądał tak: elektron musiałby mieć zawsze taką samą energię (ambitni mogą policzyć). Hipoteza Pauliego – rozpad β jest rozpadem trójciałowym – istnieje dodatkowa cząstka, neutrino, słabo oddziaływująca z materią. Pauli uważał, że hipoteza istnienia neutrina to szalony pomysł teoretyka i że nigdy nie zostanie ono odkryte. Neutrino odkryto w 1956. A w rzeczywistości… 2017-03-26 Marek Kowalski

Tajemnicza cząstka Yukawy… Hideki Yukawa (1907 – 1981) Nagroda Nobla 1949 Dla wyjaśnienia sił pomiędzy nukleonami konieczna jest dodatkowa cząstka o masie ~200 me (1935). Yukawa nazwał tą cząstkę „mezonem”. W 1936 roku Anderson odkrywa w promieniowaniu kosmicznym cząstkę o masie równej 207 masom elektronu. Czy to postulowany przez Yukawę mezon??? NIE!!! Nowa cząstka bardzo słabo oddziaływała z materią. Nowa cząstka (dzisiaj nazywamy ją mionem) nie pasowała do niczego. Isidor Raabi – „kto to zamawiał ?” 2017-03-26 Marek Kowalski

Odkrycie mezonu π π μ Cecil F. Powell (1903 – 1969) Nagroda Nobla 1950 W 1946 roku Powell, Lattice i Ochciallini zaobserwowali rozpad nowej cząstki, silnie oddziaływującej z materią. Nowa cząstka miała masę ~270 me. To była poszukiwana cząstka Yukawy, którą nazwano mezonem π (pionem) Co widać na tym obrazku? Mezon π, poruszający się z lewej do prawej rozpada się w punkcie A na mion (μ) i jeszcze „coś” π A 2017-03-26 Marek Kowalski

Odkrycie cząstek dziwnych George Rochester (1908 – 2001) Razem z Cliffordem Butlerem zaobserwowali w promieniowaniu kosmicznym nową, nietrwałą, neutralną cząstkę, którą nazwali „V”, od topologii rozpadu. Wkrótce potem stwierdzono, że takie cząstki żyją stosunkowo długo i są produkowane wyłącznie w parach. Aby wytłumaczyć tą własność, nowej cząstce przypisano cechę, nazwaną „dziwnością”. 2017-03-26 Marek Kowalski

A potem to już się sypnęło jak z rogu obfitości… Rozwój techniki akceleratorowej zaowocował odkryciem olbrzymiej liczby czastek No i gdzie ta elementarność??? No i gdzie tu ta elementarność? Zaczęliśmy od jednego atomu, a mamy bałagan. 2017-03-26 Marek Kowalski

Przełomowa hipoteza Gell-Manna Murray Gell-Mann (1929 - ) Nagroda Nobla 1969 Wszystkie hadrony (cząstki oddziaływujące silnie) można zbudować z trzech rodzajów cząstek, nazwanych kwarkami. Zaskakującą cechą kwarków był ich ułamkowy ładunek elektryczny! u (up) – q = 2/3 d (down) – q = -1/3 s (strange) – q = -1/3 Z tych trzech kwarków można było złożyć wszystkie znane ówcześnie hadrony! np proton->(uud), neutron ->(udd), Λ->(uds) Pracę przyjęto w Physics Letters do druku tylko dlatego, że autorem był Gell-Mann 2017-03-26 Marek Kowalski

Sukces modelu kwarków – odkrycie cząstki Ω- Model kwarków przewidywał istnienie cząstki złożonej z trzech kwarków s. Cząstkę taką odkryto w BNL w 1964 r. 2017-03-26 Marek Kowalski

Czy kwarki rzeczywiście istnieją? Wszystkie eksperymenty poszukujące swobodnych kwarków dały wynik negatywny… Czy kwarki są tylko obiektami matematycznymi, zbiorem liczb pozwalających na statystyczne uszeregowanie cząstek? Taki pogląd był dość rozpowszechniony. Ale… w 1967 – eksperymenty w Stanford (SLAC) wykazały kwarkową strukturę protonu Ładunek elektryczny protonu jest zgrupowany w trzech obiektach o ładunkach 2/3, 2/3 i -1/3 Jerome Friedman (1930 - ) Henry Kendall (1926 – 1999) Richard Taylor (1929 - ) Nagroda Nobla 1990 2017-03-26 Marek Kowalski

Eksperyment Friedmana, Kendalla i Taylora wykazał jeszcze coś… Jeżeli mamy proton o pędzie P, to zsumowany pęd wszystkich kwarków daje ½ P Gdzie jest reszta??? Reszta, to tzw. gluony, cząstki odpowiedzialne za oddziaływania między kwarkami. Istnienie gluonów potwierdziły eksperymenty przeprowadzone w latach 70-tych na akceleratorze PETRA w Hamburgu. Gluonom i kwarkom przypisano jeszcze jedną cechę, analogiczną do ładunku elektrycznego – tzw. ładunek kolorowy, w skrócie – kolor. O. W. Greenberg (1932 - ) Y. M. Han (1934 - ) Y. Nambu (1921 - ) Nagroda Nobla 2008 2017-03-26 Marek Kowalski

A kwarków nadal nie widać… Frank Wilczek (1951 - ) David Politzer (1949 - ) David Gross (1941 - ) Nagroda Nobla 2004 Skoro kwarki nie występują jako cząstki swobodne, to widocznie nie mogą… Siła oddziaływania między kwarkami jest: Mała na niewielkich odległościach (<< 1 fm = 10-15 m) Rośnie ze wzrostem odległości Asymptotyczna swoboda 2017-03-26 Marek Kowalski

I co my teraz mamy… Dublet kwarków + dodatkowy kwark s Chyba czegoś tutaj brakuje Oprócz elementarnych (pozbawionych struktury wewnętrznej) kwarków mamy, również pozbawione struktury wewnętrznej e, μ, νe (ogólnie – leptony) Tutaj też czegoś brakuje Dublet leptonów I generacji + mion 2017-03-26 Marek Kowalski

Druga generacja leptonów Melvin Schwartz (1932 - ) Leon Lederman (1922 - ) Jack Steinberger (1921 - ) Nagroda Nobla 1988 Odkrycie neutrina mionowego 2017-03-26 Marek Kowalski

Druga generacja kwarków Nagroda Nobla 1976 Sam C. Ting (1936 - ) Burton Richter (1931 - ) Odkrycie czwartego kwarku (c – charm – powabny) Teraz mamy bardzo ładną, symetryczną sytuację… 2017-03-26 Marek Kowalski

No to żeby nam nie było za dobrze… Martin Perl (1927 - ) Nagroda Nobla 1995 Jest jeszcze jeden lepton, cięższy od już znanych – nazwano go τ To odkrycie implikuje istnienie odpowiedniego neutrina… A Leon Lederman odkrywa piąty kwark (b – beauty – piękny)… 2017-03-26 Marek Kowalski

Czy tego przypadkiem już nie braliśmy? Zaczęliśmy od jednej generacji kwarków i leptonów, a tutaj nam się zaczęły mnożyć… Ile ich jeszcze będzie? – Trzy, cztery, pięć? Eksperymenty na akceleratorze LEP w CERN wykazały, że istnieją tylko trzy generacje. teoria eksperyment 2017-03-26 Marek Kowalski

Trzecia generacja 1995 – w FERMILAB (USA) odkryto szósty kwark (t – top – szczytowy) 2000 – w FERMILAB (USA) odkryto trzecie neutrino ντ I to są najbardziej elementarne składniki materii Do zbudowania całej znanej nam materii wystarczy pierwsza generacja. Po co w takim razie istnieją dwie dodatkowe? – Nie wiadomo. 2017-03-26 Marek Kowalski

Ten zestaw trzeba jeszcze uzupełnić Oprócz cząstek – składników materii, istnieją jeszcze cząstki odpowiedzialne za oddziaływania między nimi. Brakuje nam tutaj jeszcze cząstki Higgsa, która jest odpowiedzialna za to, że cząstki mają masę. Nie wiemy, czy cząstka Higgsa jest elementarna (nie ma struktury). 2017-03-26 Marek Kowalski

Podsumowanie Elementarnymi składnikami materii są kwarki i leptony Istnieją trzy generacje (rodziny) kwarków i leptonów (ale do zbudowania świata potrzebna jest tylko jedna) Istnieją cząstki odpowiedzialne za przenoszenie oddziaływań: słabych – bozony W i Z elektromagnetycznych – foton silnych - gluony jeszcze nie mamy pewności, czy odkryta w CERN cząstka to rzeczywiście bozon Higgsa A czego jeszcze brakuje? cząstki Higgsa, nadającej masę grawitonu – cząstki przenoszącej oddziaływania grawitacyjne Straciliśmy elegancję – był jeden, niepodzielny atom… a teraz mamy: 6 leptonów, 6 kwarków gluony, foton, bozony W/Z hipotetyczny bozon Higgsa (?) hipotetyczny grawiton Zyskaliśmy: te cząstki rzeczywiście są elementarne – nie maja struktury wewnętrznej 2017-03-26 Marek Kowalski