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

co jest elementarne? 10-10 m atom 10-14 m jądro 10-15 m nukleon kwark elektron brak struktury!

elementarność... 1897 – 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)

elektron Thomson (1895) – promienie katodowe elektroliza emisja elektronów czas życia: stabilny masa: m = 0.511 MeV ładunek: z = -1 barionowy: B = 0 leptonowy: L = 1 spin: J = ½ moment magnetyczny: P.A.M.Dirac

proton Rutherford (1919) – emisja po reakcji  + N czas życia: stabilny masa: m = 938.27 MeV ładunek: z = 1 barionowy: B = 1 leptonowy: L = 0 spin: J = ½ moment magnetyczny: struktura?

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:

neutron Chadwick (1930) czas życia:  = 14.8 min, n  p + e + e masa: m = 939.57 MeV ładunek: z = 0 barionowy: B = 1 leptonowy: L = 0 spin: J = ½ moment magnetyczny:

pozyton P.A.M.Dirac (1928) – relatywistyczne równanie falowe spin moment magnetyczny oraz energia: mc2 -mc2 cząstka (elektron) dziura (pozyton) Carl Anderson (1932) – odkrycie w komorze mgłowej z polem B

kreacja pary foton pozyton elektron hmin = 2mec2  1.02 MeV

lawiny fotonowo-elektronowe Zdjęcie z komory pęcherzykowej dwóch kwantów gamma powstałych w wyniku rozpadu neutralnego mezonu pi wyprodukowanego w zderzeniu jądrowym.

anihilacja pozyton elektron foton  hamowanie pozytonium anihilacja 2 fotony E  0.5 MeV

Pauli (1931) – przewidział istnienie na podstawie analizy rozpadu  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

więcej cząstek... 1938 – miony (C.Anderson i S.Neddermeyer – promieniowanie kosmiczne) m  200 me = (105 MeV)  oraz + (antycząstka) są nietrwałe – czas życia:   2.5 10-6 s rozpady mionów: 1947, fotoemulsja:   e +  +e +  e+ +  e + 1962 – dwa rodzaje neutrin: elektronowe i mionowe: (e, e), (,  )... a potem jeszcze taonowe (,  )

odkrycie taonu SPEAR (energia zderzenia w środku masy = 4 GeV) e+ + e  + +     +  + +  e+ + e +

więcej cząstek... Mezony  (piony) m  150 MeV Powell (1947) – promienie kosmiczne + emulsja jądrowa Mezony  (piony) m  150 MeV + + e+  e  +  + +  +  e+ + e + (e+ + e   + ) Istnieje  oraz + (antycząstka)

0 w komorze pęcherzykowej  + Xe  0 + ... 0   +  T = 3.5 GeV

pierwsza fotografia cząstki Vo wtórne kosmiczne, h = 0 komora mgłowa B = 0.35 T, (Manchester Univ.) π+ π- Ko G.D.Rochester i C.C.Butler; Nature, 160, 855, (1947) Mezon K0 – cząstka dziwna mV = 500  600 MeV  = 10-11  10-9 s

wśród produktów rozpadu też: protony π- p o p+  180 MeV – proton p-  190 MeV – pion mV  1130 MeV Hiperon 0 – cząstka dziwna

K + p   + K+ + Ko p0 = 5 GeV/c  p hiperon omega K+ Ko  e e+  o o K + p   + K+ + Ko p0 = 5 GeV/c   o +  o  o + o o  p +   o K p o  2  2 ( e + e+ ) Dziwność  = -3 N.Samios, BNL (1964) komora Glasera H2, 80’

Każdej cząstce odpowiada antycząstka 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

kwarki (spin = ½) i leptony (spin = ½) aromat (flavour) masa [MeV] ładunek lepton u – up górny 1.5  4.5 +2/3 e - elektron  =  0.511 -1 d – down dolny 5.0  8.5 -1/3 ν - neutrino elektronowe 0 < 3.010-6 c – charm powabny 1.0  1.4 103 μ -mion  = 2.20·10-6 s 105.7 s – strange dziwny 80  155 νμ – neutrino mionowe 0 < 0.19 t – top wierzchni 174. 103 τ - taon  = 2.91·10-13 s 1777.0 b – bottom spodni 4.0  4.5 103 ντ – neutrino taonowe 0 < 18.2 PPb 2002 Cząstki z różnych rodzin różnią się zapachem.

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

Bariony Większość masy hadronu to energia wiązania kwarków.

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)

Mezony

Cząstki należące do różnych rodzin różnią się zapachem. Leptony Leptony = (e, e), (,  ), (,  ) + antycząstki są fermionami oddziałujacymi słabo, Liczba leptonowa: Le L L e, e +1 ,  ,  e+,e 1 +, +, inne Cząstki należące do różnych rodzin różnią się zapachem.

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

Oddziaływania Wirtualne cząstki przenoszące oddziaływanie Zasada nieoznaczoności: Próżnia wypełniona jest powstającymi i znikającymi cząstkami wirtualnymi. czas 1 cząstka wysyła i pochłania cząstki wirtualne 1 cząstka wysyła, a 2 cząstka pochłania cząstki wirtualne

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

Odziaływanie silne Działa na ładunki kolorowe Odpowiedzialne za wiązanie kwarków w barionach Nośniki – gluony Zasięg – 10-15 m (odległość typowa dla kwarków w nukleonie)

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

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

Uwięzienie kwarków mezon D- mezon D+ mezon c Zamiana energii na masę Oddziaływanie między kwarkami rośnie wraz z odległością. Próba rozdzielenia kwarków prowadzi do wytworzenia nowej pary kwark-antykwark (jest to proces korzystniejszy energetycznie). mezon D- mezon D+ mezon c Zamiana energii na masę

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

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

Oddziaływania elektrosłabe Małe odległości (10-18 m)  wielkie energie  Oddziaływania słabe i elektromagnetyczne porównywalne. Większe odległości (3•10-17 m)  Oddziaływanie słabe jest 10-4 razy mniejsze niż elektromagnetyczne

Słaby rozpad   e e W   e e W rozpadzie pośredniczy bozon W-

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.

Oddziaływania Literatura: grawit. elektrosłabe silne (kolorowe) grawiton (?) masa [GeV] ładunek γ W+ W- Zo 80.4 80.4 91.2 +1 -1 0 g - gluon superoktet SU(3) 8 stanów koloru Literatura: http://chall.ifj.edu.pl/przygodazczastkami/frameless/index.html http://www.wiw.pl/fizyka/boskaczastka/ L. Lederman „Boska cząstka”