Elementarne składniki materii Henryk Pałka, IFJ PAN

Fizycy cząstek Czym są elementarne składniki materii? chcą wiedziec: Czym są elementarne składniki materii? Jakie siły rządzą oddziaływaniami cząstek? Czy istnieje jednolita teoria (ToE) obejmująca wszystkie oddziaływania? Fizyk redukcjonista

Skończona liczba cząstek elementarnych? Cząstki = (elementarne) składniki materii 17 ? Arystoteles Dalton (pierwiastki) Thomson(elektron) Rutherford(atom) Historia składników materii Skala logarytmiczna

Fizyka cząstek = Fizyka wysokich energii Wysokie energie (pędy) cząstek konieczne aby : Eksp. rozproszeniowy obserwować głeboko ukryte struktury (małe rozmiary): λ = h/p (de Broglie), Dx Dp ≤ ħ (Heisenberg)  mikroskop o b. krótkiej fali Eksp. formacji (anihilacja cz.-anty-cz.) wytworzyć (z energii) nowe cząstki: E = mc2 (Einstein) Przyśpieszanie cząstek do wielkich energii i ich zderzanie (pocisk-tarcza, pocisk-pocisk)

Rozmiary i energie w mikro-świecie 1 fm = 1 femtometr („Fermi“) = 10-15 m (1 µm = 1 000 000 000 fm) Energia: 1 elektronowolt = 1eV 1 Kilo-elektronowolt = 1 KeV = 1000 eV 1 Mega-elektronowolt = 1 MeV = 1 000 000 eV 1 Giga-elektronowolt = 1 GeV = 1 000 000 000 eV 1 Tera-elektronowolt = 1 TeV = 1 000 000 000 000 eV Energia 1 GeV, duża w mikro-świecie, jest śmiesznie mała makroskopowo: np. rozświetli latarkę (1.6 W) tylko przez: 0,000 000 0001 sekundy

Mikroskop: przyśpieszacz (akcelerator) cząstek widzieć = zarejestrować obraz rozproszenia Źrodło światła Obiekt Pocisk  tarcza  detektor Rozdzielczość: [ λ = h/p, Dx Dp ≤ ħ ] >0,15µm ‘precyzja’ << rozmiar struktury rozmiar pocisku << struktury precyzja = 200 fm / 1 MeV energii pocisku : 0,2 fm przy E = 1 GeV = 1000 MeV 0,2 µm przy E = 1 eV

Proton i neutron mają strukturę wewnętrzną !!! 1 fm Odkrycie (SLAC ~1970): rozpraszając e- na protonach i neutronach << 1 fm  Energie >> 0,2 GeV Podejrzenie że p i n nie są elementarne trochę wcześniej (model kwarków, ~1960 )

Jak działa akcelerator ? Lampa kineskopowa: Zasada działania: Akcelerator liniowy: Fermilab ILC (planowany)

Kompleks akceleratorów w CERN

Cegiełki materii Fundamentalne* cegiełki tworzące materię: nie fundamentalne (podzielne) fundamentalne (niepodzielne) Kryształ Molekuła Atom Jądro atomu Proton Kwark Fundamentalne* cegiełki tworzące materię: (*)nie mają struktury wew. = są ‘punktowe’: d < 0.001 fm) - elektron e- , kwark u (up – górny), kwark d (down –dolny) , związane w atomach i jądrach - neutrino ν  a co to takiego?

Neutrino: ‘cząstka-duch’ Rozpad b : n  p + e- (1914 Chadwick) Prawo zachowania energii i pędu - przy spoczywającym neutronie : E(e-) = const  sprzeczne z obserwacją: Pauli (1930): w rozpadzie musi uczestniczyć niewidzialna cząstka (ν), partner e- ν : bardzo lekka (m=0 ???) 999 999 999 ν/1 000 000 000 przebija kulę ziemską bez oddziaływań dużo neutrin we Wszechświecie: ~400 000 000/m3 (n.b. protonów jest tylko 0.2/m3 )

Oddziaływania cząstek Siły wzajemnego oddziaływania cząstek na siebie, wywołujace produkcję cząstek i ich rozpady Obecnie znamy 4 oddz. fundamentalne: Grawitacyjne (masy) Słabe (rozpad β) Elektromagnet. (ładunki elektr.) Silne (jądrowe) q p n Skąd się te siły biorą ?

Siły wymiany ‘Partnerzy’ oddziaływania muszą mieć ‘ładunek’ electron 1 siła oddziaływania jest skutkiem wymiany ‘cząstki pośredniczącej’ czas t2 t1 przestrzeń elektron 2 elektron 1 Foton (wirtualny) To jest tzw. diagram Feynmana

∞ Elektromagnet. Silne Słabe 3 kolory: r,b,g +3 anty-kolory I1 , I2, I3 ‘Ładunek’ +1,-1 cz. pośredn. jej ładunek, masa γ 8 gluonów ( g ) kolor,anty-kol. W+, Z0, W- +1, 0, -1 70-90 GeV Q(u)= 2/3 Q(d)=-1/3 Q(ν)=0 Q(e-)=-1 Q(u)= r,b,g Q(d)= r,b,g Q(ν) i Q(e-) nie istnieją I3(u)= +1/2 I3(d)= -1/2 I3(ν)= +1/2 I3(e-)=-1/2 ładunki cz. element. ∞ ~1 fm zasięg sił ~0.0025 fm świecenie Słońca, radioaktywnośc widoczne makroskopowo skutki niewidoczne w skali makro

Pełny zestaw znanych obecnie cząstek elementarnych

Cząstki materii i pól sił Model Standardowy Grawitacja - duch w operze Nośniki sił Z Z boson W W boson g foton gluon t tau n t-neutrino b piękno prawda III m mion m-neutrino s dziwny c powab II e elektron ne e-neutrino d dół góra u I Leptony Kwarki Rodziny cząstek materii Bozon Higgsa?

Dlaczego 3 rodziny?skąd ta rozpiętość mass? Nurtujące pytania: Dlaczego 3 rodziny?skąd ta rozpiętość mass? Mass t u d c e s b Mt=175 GeV ! – cięższy niż atom srebra!! Mamy nadzieję że LHC dostarczy odpowiedzi na te 2 pytania

Nasze marzenie: jednolita teoria (unifikacja) Obecna granica obserwowalności

Supersymetria? ~ d u b s c t e ne nm nt m Z g W H d u b s c t e m Z ne Supersymmetric Partner Spin 1/2 H d u b s c t e m Z ne nm nt g W Spin 1/2 1 H Spin H CMS

Związek fizyki cząstek z kosmologią Wczesny Wszechświat: temperatura 1015K  energia czastek ~100 GeV Akcelerator: energia cząstek ~100 GeV Niekontrolowane zderzenia cząstek kontrolowane zderzenia cząstek